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北京邮电大学硕士学位论文一种基于低成本d s p 的v 0 口语音网关的研究与实现 一种基于低成本d s p 的v o l p 语音网关的研究与实现 摘要 近年来，随着计算机网络的飞速发展，基于i p 分组网络的实时多媒体 业务的应用越来越多。其中，v o i p 技术以其价格优势和丰富的业务平台为 远距离语音通信提供了强大而有效的手段，成为了当今技术研究的热点。 v o i p 的核心设备是i p 电话网关，为了保证通话的通畅，使用了数字信 号处理器( d s p ) 来对语音进行处理。v o l p 发展的关键技术之一是信令技 术，目前最为广泛应用的两种v o l p 信令协议是h 3 2 3 和s i p 。由于s i p 在 设计上体现了i n t e m e t 体系结构的优势，且基于文本方式的信令简单、易于 扩展、便于实现，更符合v o i p 和未来网络的发展趋势，因此拥有广阔的发 展前景。 本文提出了一种基于低成本d s p - - a r l 6 8 8 的v o i p 语音网关的设计思 想。a r l 6 8 8 是北京掌微公司开发的旨在为v o l p 提供系统解决方案的s o c 芯片，该芯片集微处理器和高质量的数字信号处理器于一体，具有集成度 高、功耗低、体积小、成本低等优势。本课题以其为核心开发出的v o i p 以 太网语音网关，使得中小型企业和家庭用户可以不通过p s t n 而采用局域 网接入的方式，使用普通话机拨打i p 电话，因此具有良好的市场前景。 本文阐述了与网关设计相关联的v o i p 理论基础，分析了语音编解码技 术、通信协议、v o i p 系统组成、网关需求和性能，致力于并成功实现了基 于a r l 6 8 8 的v o i p 语音网关的开发，包括硬件设计和软件设计。硬件部分 主要涉及电路原理图设计和印制电路板设计过程；软件部分主要涉及 a r l 6 8 8 主控流程的状态定义、基于d s p 的实时语音处理模块的设计、s i p 协议栈的设计思想及移植、s o f t g a t e w a y 的设计思路。最后文章给出了产品 的测试结果，经过电路测试、模块功能测试和综合测试，证实该网关设备 运行稳定，能够实现预定的功能。 关键词：v o i p ，语音网关，数字信号处理器，a r l 6 8 8 ，实时语音处理，s i p 协议栈 北京邮电大学硕士学位论文 一种基于低成本d s p 的v o l p 语音网关的研究与实现 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t f 鲴o n o fv o i pv o i c eg a t e 厂a y b a s eo nal o w 二c o s td s p a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r k sh a sw i t n e s s e da l li n c r e a s i n g a p p e a r a n c eo fr e a l - t i m em u l t i m e d i as e r v i c e sb a s e do nt h ei pp a c k a g en e t w o r ki n r e c e n ty e a r s o w n i n gt ot h ea b u n d a n c eo fs e r v i c ep l a t f o r m sa sw e l la st h el o wp r i c e a d v a n t a g e ，v o i pt e c h n o l o g i e sa r ea b l et op r o v i d es t r o n ga n d v a l i dg u a r a n t e e sf o rv o i c e c o m m u n i c a t i o n so v e ral o n gd i s t a n c e ，t h u sb e c o m i n gah o t s p o ti n n o w a d a y s t e c h n i q u er e s e a r c h e s t h ec o r ee q u i m e n ti nt h ev o l ps y s t e mi si pg a t e w a y , i nw h i c hd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r s ( d s p ) a r ew i d e l yu s e di no r d e rt og u a r a n t e ev o i c ec o m m u n i c a t i o n s t h e s i g n a l i n gt e c h n i q u ea l s op l a y sac r u c i a lp a r ti nt h ed e v e l o p m e n to fv o l pa n da m o n g t h e mt w om o s tw i d e l yu s e da r eh 3 2 3a n ds i p t h es i pp r o t o c o li sd e s i g n e dt om e e t w i t ht h ee v o l v i n gd i r e c t i o no fv o l pa n df u t u r en e t w o r k sa n di sb e l i e v e dt oh a v ea g o o dm a r k e tp r o p e c td u et oi t se m b o d i m e n t so fi n t e r n e ts y s t e ms t r u c t u r ea n dt h e s i m p l i c i t y , e x t e n s i b i l i t ya n dr e a l i z a b i l i t yo f i t st e x t - b a s e ds i g n a l s t h ep a p e ro u t l i n e sap l a ni nw h i c hav o l pv o i c eg a t e w a yi sd e v e l o p e db a s e do na l o w c o s td s pc h i p _ a r l 6 8 8 a r l 6 8 8 ，p r o v i d e db yp a l mm i c r oc o ，l t df o rv o l p s o l u t i o n s ，i sas o ct h a th i g h l yi n t e g r a t e sam i c r oc o n t r o lu n i t ( m c u ) a n dah i 。g h p e r f o r m a n c ed i g i t a ls i g a lp r o c e s s o r ( d s p ) w i t ht h ea d v a n t a g e so fs m a l ls i z e ，l o w p o w e rc o n s u m i n ga n dl o wc o s t t h ea r l 6 8 8 一b a s e dv o l pe t h e r n e tv o i c eg a t e w a y d e s i g n e di nt h i sp a p e rw i l le n a b l es m a l le n t e r p r i s e sa n dh o m eu s e r st om a k et h e i ri p c a l l sw i t hp l a i no l dt e l e p h o n es e r v i c e ( p o t s ) b ym e a n so fl a na c c e s s i n gr a t h e rt h a n p s t n t h ep a p e ri l l u s t r a t e sv o l pt h e o r yb a s i st h a th a st h i n g st od ow i t hp r o d u c td e s i g n a n da n a l y z e sv o i c ec o d i n ga n dd e c o d i n gt e c h n o l o g i e s ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，v o l p s y s t e mf o r m a t i o na n dw h a tav o l pg a t e w a yd e m a n d s t h e np r i o r i t i e sa r eg i v e nt ot h e 北京邮电大学硕士学位论文一种慕于低成本d s p 的v o l p 语音网关的研究与实现 a r l 6 8 8 - b a s e d i pe t h e r n e tv o i c eg a t e w a yd e v e l o p i n gp r o c e s sw h i c hi n c l u d e s h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n c i r c u i ts c h e m a t i cp l o t t i n ga n dp r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) p l o t t i n ga r ed e s c r i b e di nt h eh a r d w a r ed e s i g np a r tw h i l et h es o f t w a r ed e s i g n p a r ti n c l u d e st h es t a t u s d e f i n i t i o no fa r l 6 8 8m a i nc o n t r o lf l o w , t h ed e s i g no f d s p d r i v e dr e a l t i m ev o i c ep r o c e s s i n gm o d u l e ，t h ep i c ka n dt r a n s p l a n t a t i o no ft h es i p p r o t o c o ls t a c ka n dt h ed e s i g no fs o f tg a t e w a y f i n a l l yr e s u l t sa r eg i v e ns h o w i n gt h a t s u c hd e s i g n e dv o l pg a t e w a yi sa b l et ow o r ks t e a d y , s u c c e s s f u l l ya c h i e v i n gw h a tw a s e x p e c t e da f t e rc i r c u i tt e s t s ，m o d u l ef u n c t i o nt e s t sa n di n t e g r a t e dt e s t s k e yw o r d s ：v o i c eo v e ri p , v o i c eg a t e w a y , d i g i t a ls i g a lp r o c e s s o r ，a r l 6 8 8 ， r e a l - t i m ev o i c ep r o c e s s i n g ，s i pp r o t o c o ls t a c k 北京邮电大学硕士学位论文一种幕于低成本d s p 的v o l p 语音网关的研究与实现 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： 豳鱼 日期： 鄙王：臣 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： 导师签名： 日期： 日期： 北京邮电大学硕士学位论文一种基于低成本d s p 的v o 讲语音网关的研究与实现 1 1 论文背景 第一章绪论 i n t e r a c t 是当今应用最广泛、发展最迅速的通信网络，它是基于数据包方式 的数据分组交换方式，用户数据被封装在分组中，分组内还包含一些用于网络中 的路由选择、差错纠正、流量控制等的附加信息，数据包各自独立地在网络中传 递。一般来说，i n t e m e t 比较适宜于数据的传输。众所周知，视频、音频信号经 过模数转换后可以变为数字信号，这些数据应该也能在i n t e m e t 上传递，这便是 v o i p 的起源。 对于许多大中型企业、外资企业来说，每月都会产生巨额的国际、国内长话 通信费用。虽然企业可通过使用口电话等方式节约话费，但其冗长拨号和身份 及密码验证将给工作带来不便，当线路忙或无法接通时，重拨显得非常麻烦，且 总的话费成本依然巨大，不能从根本上解决巨额话费的问题。而且随着交通的日 益发达，人们生活的范围越来越大，这也导致了每个家庭中国际、国内长话通信 费用的急剧增加。所以v o l p 的发展是个必然的趋势。 相对于传统电话服务，v o i p 的最大优势是其低资费，甚至免费长途电话的 功能。在挑战传统电信服务的同时，它也面临传统电信服务的挑战。一方面，采 用v o m 需要不菲的初始投资使部分中小企业在选择v o i p 时更加犹豫；另一方面， 电信运营商通过对大客户进行话费折扣来防止用户流失，降低了v o l p 的实际优 势。基于这样的现实，未来v o i p 产品降低成本变得很关键。 网关是v o i p 应用中的重要设备，按照应用领域和端口密度大致可以分为电 信级网关和用户端网关设备。电信级网关通常要求高端口密度、高性能和高可靠 性，具有最大的设计难度，要求开发商具有很强的开发实力；用户端网关通常端 口密度较低，包括终端适配器、小区网关和企业级网关。 目前国内外著名厂商的企业级v o i p 网关解决方案也有很多。如：博达通信、 大唐电信、华为技术、巨龙公司、上海贝尔、中兴通讯、爱立信等。这些网关大 部分是电信级网关，设备体积较大，价格昂贵；而适用于中小型企业的网关设备 相对较少，虽然有些也是小型网关，但其功能比较复杂并采用硬件来实现协议转 换功能，这也导致了价格较贵。一些小企业或者家庭无法承受这种经济压力，同 北京邮电大学硕士学位论文一种基于低成本d s p 的v o i p 语音网关的研究与实现 时也没有必要使用这种大型网关。而目前市场上符合这种要求的网关不多。 根据目前的趋势和未来的要求，开发一种低成本的小型用户端级的v o i p 网 关将会有可观的市场前景。本课题就是在这种背景下产生的。 1 2 v o i p 提出的背景 v o i p 是一项很实用的技术，尽管因特网支持语音业务的能力尚不强大，v o i p 仍然受到通信业的青睐，这主要是由于以下商业上，技术上以及通信发展趋势上 的原因【1 1 。 1 2 1 商业考虑 促使制订i p 协议族和开发相关设备支持电话业务的第一个原因是日趋激烈 的商业竞争形势。这种形势可以归结为以下三点推断。 ( 1 ) 语音和数据综合 大多数应用软件都在不可避免地发展，这就要求w e b 服务器必须具有与用 户进行数据、语音和视频图像交互的能力，而这势必要求语音和数据业务相融合。 只进行带有静态图像的文本交互已不能满足用户的需要。 ( 2 ) 带宽合并 传统的电话技术，语音独占以时隙划分的信道，即使是在用户不讲话的长时 间静音期也要占用带宽。而如果使用新的统计时分复用的数据通信机制则可以更 加有效地使用宝贵的带宽资源，这种方式只有在用户需要时才占用带宽资源，当 一个用户不讲话时，空闲的带宽资源可以为其他用户所用。利用先进的模拟一数 字转换技术，一条高质量的语音信道只需运行在4 8 k b i t s 8 k b i t s ，而目前使用 的时分复用电话信道都运行在6 4 k b i t s 。将来，分组语音速率还有望进一步下降， 假设压缩后的语音速率为8 k b i t s ，那么消耗的带宽的是原来的1 8 1 引。 ( 3 ) 价格因素 绕过公用交换电话网，而使用因特网的骨干网进行长途业务可以避免长途通 信在电话网上的高额收费，因为使用因特网的成本低并且可以完成相同的业务。 1 2 2i p 的普遍存在 m 及其相关协议在用户和网络设备中已经大量存在，i p 已经占领了大量的 用户终端设备。由于许多现存技术还没有应用到用户终端设备，这使得大量存在 于个人计算机和工作站上的i p 具有了决定性的优势。同时，i p 既可以用于广域 2 北京邮电大学硕士学位论文一种基于低成本d s p 的v o m 语音网关的研究与实现 网也可以用于局域网，这一“特色 使其成为处理语音业务的理想平台。 1 2 3 技术的成熟 成熟的技术是发展口电话的第三个主要原因。数字信号处理器( d s p ) 的 大规模使用支持了这些技术。d s p 可以用于语音编解码器及高速调制解调器，其 特定的操作指令及其高速性能为几年前还难以想象的技术应用提供了强大的支 持。现在d s p 已可以大规模生产而且价格相对便宜，已经大量用于消费电子产 品中。另外，不断增加的通信信道容量，不断增强的计算机c p u 处理能力，具 有人工智能软件技术的出现也大力推动了通信技术的革命性发展。 1 2 4 向数据网转移 确保v o l p 和其他数据网成功的第四个重要原因就是眼前的事实：整个世界 正在经历一次从电路交换网向分组交换网( 即数据网) 的转变。市场预测估计 2 0 0 9 年数据网和电路交换网络的市场份额之比是9 0 e t1 0 ，而近年来这一比 例还在继续扩大。 1 3v o l p 概述 1 3 1v o l p 通信原理简述 v o i p ( v o i c eo v e ri p ) 是利用i p 网络实现语音通信的一种先进通信手段，是 基于p 网络的语音传输技术。它利用电话网关服务器之类的设备将电话语音数 字化，将数据压缩后打包成数据包，通过i p 网络传输到目的地；目的地收到这 一串数据包后，将数据重组，解压缩后再还原成声音。这样，网络两端的人就可 以听到对方的声音【3 1 ，图1 - 1 为i p 语音处理流程。 图1 - 1i p 语音处理流程 i n t e m e t 是由众多不同的计算机网络互联而成的，遍布世界各地；使用标注 3 北京邮电大学硕士学位论文一种基于低成本d s p 的v o l p 语音网关的研究与实现 的t c p i p 相互通信和交换数据。t c p i p 将要传输的计算机数据分组排队发送， 每个分组均包含地址及数据重组信息，以确保数据安全和数据包交换正确无误。 在i n t e r n e t 上实现语音通信的简单原理如图1 2 所示。 图卜2i n t e r n e t 语音通信原理 对基本通信过程可以做如下描述：首先，双方用户都通过计算机向i s p ( 互 联网服务提供商) 发出业务请求，i s p 经过身份认证后，与计算机建立连接，并 为计算机提供数据转发。呼叫开始后，发送端通过语音输入设备( 话筒等) 将语 音信号传送到计算机上，计算机经过处理( 模数转换、压缩、打包) 形成i p 包， 然后通过i s p 发送到i n t e m e t 上。i p 包内含目的地址信息，供i n t e r n e t 选路用。 数据包到达接收端后，由接收端i s p 转接到被叫终端。然后，由被叫计算机将l p 数据包经过处理( 拆包、解压、模数转换) 还原成语音信息，经由语音输出设 备( 音箱等) 发出。这样，就完成了一个i n t e r n e t 语音通信过程。 与电路交换的语音通信不同，i n t e m e t 语音通信是面向无连接的，它具有如 下特点： ( i ) 通信双方不需要进行链路建立的初始化过程，可以随时发送数据。 ( 2 ) i n t e m e t 内所有路由都是共享的，联入i n t e r n e t 的计算机均不独占路由。 ( 3 ) 由于数据包需要排队传输，会产生延迟。 ( 4 ) 用户计算机至i s p 的通信通过p s t n ，所以仍然会的独占该段通信路由。 1 3 2v o l p 的实现方法 ( 1 ) p c - t o - p c 这是初期采用的一种方式，它以多媒体技术为基础，建立在网对网的架构上， 在技术上较容易实现，但对于用户的要求比较高。通话双方的计算机均需登录到 网络上，还要有全双工声卡、话筒等设备，并安装相应的电话软件。由于它的技 术背景比较简单，使用方法比较复杂，所以效果不好，仅适合于网络爱好者个人 使用，不能作为公共电话服务的手段推广使用。 ( 2 ) p c t o p h o n e 作为主叫方的计算机必须能够上网，而被叫方使用普通电话即可。通话时， 主叫方登录到与对方电话网相连的i p 电话网关服务器。主叫方的呼叫信号通过 i n t e m e t 到达服务器后，自动转接到被叫方的电话上。建立链路后，双方即可像 普通电话一样交谈。运行软件时，要预先登记用户名、口令及对方的电话号码。 4 北京邮电大学硕士学位论文一种基于低成本d s p 的v 0 i p 语音网关的研究与实现 而且，要使用它，通常需预付一定的费用或提供信用卡号码。 ( 3 ) p h o n e t o p h o n e 这种形式出现得比较晚，是使用最简便、最容易被人们接受的方式，也是技 术背景最复杂的一种。如今，这种产品种类很多，实际性能差别也很大，大致可 分为3 种类型： 双方电话各配置一个类似于m o d e m 的设备，通话双方通过它登录到 i n t e r n e t 上，首次通话前进行一次启用注册后，每次通话只需简单的操作便能像 普通电话一样交谈。它的有点是用户不必直接操作计算机。 两端都没有计算机与电话连接，而是通过被称为“桥接器 的设备进行通 话。它可以把普通模拟话机的音频信号流转换成分组数据，送入i n t e r n e t 传输。 “桥接器一可直接插入i n t e r n e t i n t r a n e t 。有些“桥接器 本身还具有小型交换机 的功能，是一种小型智能坤电话系统。 利用口电话网关服务器进行通话。网关服务器一端与i n t e r a c t 相连，另一 端与当地的p s t n 相连。用户不需要申请i n t e r n e t 账号，打电话时拨一个特殊电 话号码( 接入号) 即可连到服务器，经过身份验证后，即可直接输入对方的电话 号码。服务器收到被叫号码后，通过i n t e r n e t 与被叫方当地的相关服务器建立连 接。对方服务器收到呼叫后立刻接通本地被叫电话号码【4 l 。 1 4 课题来源及文章结构 本课题来源于北京邮电大学多媒体实验室的横向合作项目，旨在与北京掌微 电子公司联合开发面向中小型企业和家庭用户的基于s i p 协议的v o l p 终端系统， 硬件开发环境以北京掌微电子公司提供的新型低成本v o l p 系统解决方案 a r l 6 8 8 芯片为核心。 本文将从系统的角度，阐述基于a r l 6 8 8 芯片开发相关v o i p 终端产品的基 本思路和实践方法，同时结合作者项目经验重点介绍f x s 型以太网接入v o i p 语 音网关的硬件设计过程( 包括电路原理图设计和电路板p c b 设计) 、软件设计过 程以及详细的硬件产品调试和测试过程。作者所作的其他工作较为繁杂，与v o i p 网关联系并不紧密，因此在本文中不做介绍。具体沦文的结构安排如下： 第一章为绪论，介绍了v o l p 的起源及目前市场状况。 第二章介绍了v o i p 的基本技术基础，分别叙述了与课题中v o i p 语音网关相 联系的话音编解码技术、通信协议技术，以及网关在v o i p 系统架构中的地位和 作用。 第三章介绍了本课题的创新点，即为什么要开发这种面向中小型企业和家庭 用户的小型v o i p 语音网关，并该产品进行了需求分析和性能要求分析，提出总 5 北京邮电大学硕：上学位论文一种基于低成本d s p 的v o i p 语音网关的研究与实现 体设计思想。 第四章主要介绍了详细的硬件设计过程，包括各功能模块所选用的核心芯片 介绍及相应的电路设计，然后介绍了在实际进行印制电路板( p c b ) 设计时遇到 的问题和注意事项。 第五章主要介绍了网关的软件设计过程，包括主控模块a r l 6 8 8 的工作流 程、基于d s p 的实时语音处理模块的设计及i l b c 编解码器由浮点参考代码向 定点d s p 汇编环境的搬移、s i p 协议栈的选择和移植及s i pu a 的设计思想、 s o f l g a t c w a y 的设计思想等。 第六章介绍了该v o l p 语音网关产品的硬件电路测试过程和整体的功能测试 结果。 第七章是对全文的总结，并提出下一步工作目标和建议。 6 北京邮电大学硕士学位论文一种基于低成本d s p 的v o i p 语音网关的研究与实现 第二章v o l p 技术基础 本章将对v o i p 中用到的关键技术进行介绍，准确理解这些概念、原理是文 章后续章节介绍的v o l p 语音网关设计的前提和基础。由于篇幅有限，不可能列 举全部技术，只能结合语音网关设计中涉及到的方面进行简要介绍。 2 1v o l p 与p s t n 的比较 2 1 1 工作方式比较 口电话是将模拟语音信号经过模数转换、进行编码压缩后，按一定的打包 规则将压缩帧转换成i p 数据包通过数据网进行传输；在目的地经过数据解压、 数模转换复原成语音，从而达到语音通信的目的。由于数据网是采用统计时分 的方式来分配、使用网络资源，任何通信实体都不可能独占某一信道，所以分组 语音技术可以有效提高网络资源的利用率，大大降低运营成本。 传统电话是通过电路交换网，采用面向连接的电路方式来传输语音信息的。 现代程控电话主要采用时分复用( t d m ) 技术来提高电路利用率，将一条物理 线路上周期性出现的每一个固定时隙作为一个逻辑电路，给每一个话路通信分配 一个固定的逻辑电路。在整个通信过程中，每个话路一直占用固定的逻辑电路直 至通信结束才释放。一个满足脉冲编码调制( p c m ) 语音传输的话路所需链路 带宽是6 4 k b i t s ，即一个逻辑电路的带宽是6 4 k b i t s 。 2 1 2 交换方式比较 p s t n 是基于电路交换的，每条电路是一条6 4 k b i t s 的数字信道。p s t n 终 端既可以是模拟信号也可以是数字的。标准的电话机通过模拟接入网络( 用户环 路的集合) 连到p s t n 。在模拟接入网络中，话音以3 k h z 模拟信号传输。在接 入交换机后，话音被数字化，其信令能力( 如地址识别) 通过带内的d t m f ( d u a l t o n em u l t i f r e q u e n c y ) 来实现。i s d n 允许电话终端以数字方式接入。在 这种情况下，数字式话音终端( 或装有适配器的模拟终端) 可以通过一条6 4 k b i t s 的数字信道使用q 9 3 1 ( 或d d s 1 ，d i g j 【t a ls u b s c r i b e rs i g n a l i n gs y s t e mn o 1 ) 发 起接入网络的握手信令。数字核心网络使用的信令系统是七号信令系统。i t u t e 1 6 4 建议为p s t n 与i s d n 定义一种统一的拨号系统。 7 北京邮电大学硕十学位论文一种基于低成本d s p 的v o l p 语音网关的研究与实现 v o i p 是通过分组交换原理来实现的，这两种交换方式的技术体制有着本质 的不同。对于电路交换技术来讲，它是一种专用的、封闭式的交换系统，并且单 独运作、造价昂贵；与其相比，分组交换有很大的不同，分组交换是一种公共标 准的开放式的交换系统，造价较低，并且运营打破垄断，是一种合作伙伴关系。 下表是两种交换方式的技术指标对比。 表2 - 1 电路交换和分组交换各技术指标的对比 ；。对比内容电路交换分组交换 接续时间较长，平均为1 5 s较短，虚电路连接一般小于1 s 信息传输延迟短，偏差较小，通常在m s 级短，偏差较大，一般低于2 0 0 m s 数据传输可靠性一般为1 0 e 7高达1 0 e 1 1 对业务过载的反应拒绝接受呼叫( 呼损)减少输入信息流量( 流量控制) ，延迟增大 信号传输的“透明”性有无 异种终端之间的相互通信 不可可 多点通信( 如报文广播) 不叮可 电路利用率低高 交换机费用一般较便宜较高 实时会i i i ；业务适用适用 2 1 3 信令比较 在p s t n 和i p 网络中，信令的任务都是建立一种连接。信令出现于网络入 口处，它选择线路、建立网络通道，并且在远程站点通知呼叫到达信息。 ( 1 ) p s t n 的信令 在p s t n 中，完成一次电话的通话需要建立多种形式的信令。首先，提起电 话时系统向交换机发送一个“摘机”信号，交换机就会发拨号音进行响应；然后， 电话向交换机传送拨号数字，即被叫方号码或相关的数字信息，交换机和电话之 间的这种信号交换方式被称为站点环绕信令；交换机收到来自电话的拨号数字 后，开始进行相应的处理，如转接等。在转接过程中，又要用到多种信令，如信 道辅助信令( c a s ) 、通用信道信令( c c s ) 等，最终完成电话的接纠5 。 ( 2 ) i p 电话的信令 在i p 电话网络中，信令主要分为外部信令和内部信令。 外部信令主要用于i p 网络和p s t n 之间的互连，所以基本遵循p s t n 电话 网的信令标准，并普遍支持以下几种信令方式： 标准双音多频( d t m f ) 或脉冲模拟信令。 8 北京邮电大学硕士学位论文一种基于低成本d s p 的v o i p 语音网关的研究与实现 数字带内信令，又称为c a s ，用于t 1 e 1 数字中继线。 模拟通信线路信令，又称为e & m 信令，大多数用于4 路模拟中继线。 数字带外信令，又称为c e s ，其中用于某一多点连接数字中继线 ( t 1 e 1 j 1 ) 的所有信令都连接于单一或多条通用信道、与语音信息分离。 n o 7 信令，在网络部件之间以带外方式操作，用于连接电话和请求特殊 服务。 内部信令用于口网络内部之间的连接控制和呼叫处理。连接控制信令用于 网关之间的联系或建立通道以传输分组语音；呼叫处理信令用于在网关之间发送 呼叫状态，如振铃、忙音等。内部信令的规定依赖于承载传输网络的协议标准， 例如a t m 采用标准的q 9 3 1 ，帧中继分组语音信令的标准为f r e l l ，而面向无 连接的i p 分组语音则采用h 3 2 3 标准。 在口网络中，网关把从交换机接收的拨号数字映射为i p 地址，并向该i p 地址的站点发送q 9 3 1 信令通知建立请求信号。同时，系统使用控制信道建立实 时协议语音流，并使用r s v p 协议请求q o s 。 2 1 4 寻址体系的比较 任何网络要实现通信功能，必须有一套完整的寻址体系。 在p s t n 网络中【3 】，每一部电话机必须有一个单独的地址，即电话号码。传 统电话网络的寻址是依靠国际、国内标准以及本地电话公司与内部用户之间规定 的特定代码技术相组合来完成的。简单地讲，就是依靠电话号码来寻址的。国际 电信联盟i t u t 推荐的e 1 6 4 标准定义了传统p s t n 网络上的国际编号规则。按 照国际电话服务服务编号规则，每个国家的国家编号必须符合e 1 6 4 标准，并与 国际编号规则联合使用。p s t n 电话服务提供商必须确保其编号规则兼容e 1 6 4 标准，而且其用户网络也要遵循这一标准。 i p 电话网络的寻址和传统的电话网络差别很大，原因在于，它是一个面向 无连接的网络，并且还要能够和p s t n 网络互连。在i p 网络中，要把目的地址 信息封装进i p 数据包内，采用t c p i p 的寻址舰则，i p 网络根据该地址信息进行 寻址，主要包括以下两个方面g ( 1 ) 地址解析：在特定的设备处，如路由器、网关、d n s 服务器等，将i p 数 据包内的地址信息解释成可以识别和处理的地址，然后交由寻址设备选择 路由寻找。地址解析的方法包括使用广播、地址解析服务器、本地配置表 三种。 ( 2 ) 地址简化：地址简化是将复杂的物理地址抽象为可以简单识别和处理的逻 辑地址的过程，常用的有两种地址简化方案，分别是d h c p 和d n s 。 9 北京邮电大学硕十学位论文一种基于低成本d s p 的v o l p 语音嘲关的研究与实现 2 1 5 路由比较 传统电话网络的路由与编号规则和线路有密切的关系，是用于建立从源节点 到目的节点的通话。然而，大多数路由操作要复杂得多，例如要考虑允许用户选 择服务，或将电话转接到另一个用户。交换机中简历一组表格和规则后就可以选 择路由。电话到来时，这些表格和规则便可以同为目标路径以及相应的服务。 i p 网络使用路由协议，通过提供共享路由选择信息的机制来支持被动路由 协议。路由选择协议消息在路由器之间传送。路由选择协议允许路由器与其他路 由器通信来修改和维护路由选择表，如r i p 。路由协议的作用是维护路由信息， 建立路由表，决定最佳路径，一般网络路由协议分为两种：内部网关协议( i g p ) 与外部网关协议( e g p ) 。 外部网关协议( i g p ) 是用于在自治系统之间交换路由选择信息的互联网络 协议。内部网关协议( e g p ) 用于自住系统中交换路由选择信息的路由协议，常 用的互联网内部网关协议有i g r p 、o s p f 、r i p 等。这里的自治系统指的是在同 一个公共路由选择策略和公共管理下的网络集合，如一个i s p 的网络。 2 1 6 延迟比较 在p s t n 语音网络中，距离是导致延迟的主要因素。因为电信号的传播速度 接近光速，所以近距离的延迟是难以察觉的，但距离1 0 0 0 0 k m 以上的延迟就比 较明显了。延迟的问题表现在两个方面，固定的延迟可能干扰人们的谈话和问答 的节奏。延迟变动( 称为抖动) 将在发音之间产生随机中断，这可能影响对谈话 的理解。因此。抖动是更为严重的问题。 在缺乏q o s 保证的i p 电话网络中，由于i p 业务遵循“尽力服务的原则( 即 “先来先服务 的原则) 进行业务处理，所以容易出现较大的延迟和延迟抖动， 这也许是口电话亟待解决的重要问题之一。最近，业界对相关标准进行了修改， 加之一些新技术的采用，这些都将有助于延迟问题的解决。例如，优先级派对技 术允许网络将不同的业务类型置入特定的q o s 队列，以使语音业务的传输优先 级高于数据业务，从而降低了队列延迟。 2 2v o l p 话音编解码技术 v o l p 的话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 i p 电话话音编码技术有a d p c m ( a d a p t i v ed 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 ) 和c e l p ( c o d e - e x c i t e dl i n e r - p r o c e s s i n g ) 。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 一种基于低成本d s p 的、b 口语音网关的研究与实现 2 2 1a d p c m ：差分自适应脉冲编码调制 a d p c m 编码技术能根据接收到的话音信号波形来预测下一个话音信号，这 样它只需编码每一个接收信号中与预测不同的部分，从而减少编码的位长。它的 编码过程是这样的：a d p c m 编码器接收到每秒8 0 0 0 次的话音信号抽样值。每 接收到一个话音信号，它根据信号的p c m 编码按照一定的算法得到下次信号的 预测值。最简单的预测方式就是把上次的话音信号值作为本次话音信号的预测 值，每次传递本次信号与上次信号的差别部分。然后把这次信号的p c m 编码值 与上次的预测值进行比较，得到二个信号的差值。这个差值可以用很少的位长来 表示。 u 对这种编码定义了三种规范，分别是g 7 2 1 、g 7 2 3 和g ；7 2 6 ，他们的位 长和传输速率如下表所示： 表2 - 2g 7 2 1 、g 7 2 3 、g 7 2 6 的传输速率比较 。7 7 ? ”? j 7 7 叫 编解码算法位长( b i t ) 抽样频率( k h z )传输速率( k b i t s ) 、 g 7 2 148 3 2 g 7 2 33 82 4 g 7 2 6281 6 2 2 2c e l p ：码本激励线性预测 c e l p 编码是把接收到的几个抽样值进行编组处理，对信号进行成组的编码 压缩从而减少编码位长的方式。与a d p c m 不同的是这种编码方式能够根据话音 信号的特点来进行编码，如在一方用户没有说话时就不进行编码或根据不同的话 音特征如音量、音频等进行相应的编码，进一步节约带宽。 c e l p 的编码过程是这样的：编码器接收到每秒8 0 0 0 次的换音信号抽样， 并把它变成8 b i t 的量化值，或者是1 6 b i t 的均匀量化值( 这样的量化质量更好) ， 有一种被称为编码书( c o d e b o o k ) 的机制能通过反馈的方式不断地学习和预测 话音波形的模式，然后把话音信号通过这样的编码成组地传送到接收端设备上， 接收端再根据接收到的信号相应地解码为8 b i t 的p c m 量化或1 6 b i t 的均匀量化 值，进而恢复用户的话音。图2 1 为c e l p 编码器的模型框图。 北京邮电大学硕上学位论文一种基于低成本d s p 的v 0 i p 语音网关的研究与实现 图2 - 1c e l p 编码模型框图 另外在电话系统中，每个用户说的的时间统计上应该为全部通话时间的 5 0 ，这是因为人们习惯于在听对方说话时自己停止说话。因此c e l p 编码还引 入了编码器激活的机制，远端设备通过检测用户端的信号来判断用户是否开始说 话。用户开始说话时c e l p 编码器才启动进行话音编码。 常用的c e l p 编码有l d c e l p ( l o wd e l a yc o d e e x c i t e dl i n e a r - p r o c e s s o r ) 和c s a c e l p ( c o n j u g a t es t r u c t u r ea l g e b r a i cc o d e - e x c i t e dl i n e a r - p r o c e s s o r ) 。 l d c e l p 的编码速率为1 6 k b i t s ，它的编码书较小，产生的延时也较小( 2 - 5 m s ) ， 其对应的u 编码规范为g 7 2 8 ；c s a c e l p 编码速率为8 k b i t s ，其编码书较大， 每次判断的编码位数也更长，产生的延时也较大( 1 0 m s ) ，对应的i t u 编码规范 为g 7 2 9 。 2 2 3v o l p 的话音质量评价标准 为了选择最好的编码方式，需要对每一种编码进行综合的评价。评价话音质 量的好坏的最佳方法就是直接考察用户对话音质量的感觉。为此删使用了 m o s ( m e a no p t i o ns c o r e ) 判别法作为评价各种话音质量的方法。它把一群用户 对话音质量的评价取平均值，这样就得到了一种话音压缩法的m o s 分数。质量 分为5 个等级，最高的5 分就是双方直接对话时的评价分数。下表即是对不同话 音编码的比较1 6 j 。 表2 - 3 话音编码的比较 编码方式比特率压缩延时m o s 得分 g 7 1 1p c m6 40 7 54 1 0 g 7 2 6a d p c m3 213 8 5 g 7 2 8l d c e l p1 63 53 6 l g 7 2 9c s a c e l p81 03 9 2 1 2 北京邮电大学硕士学位论文一种基于低成本d s p 的v o i p 语音网关的研究与实现 g 7 2 9 ac s a c e l p 8 1 03 9 0 g 7 2 3 1 m p m l o 6 33 03 9 0 g 7 2 3 1a c e l p6 33 03 8 0 2 3v o i p 中的通信协议 研究邛电话的国际标准化组织主要有国际电信联盟( u t ) ，欧洲电信标 准化协会( e t s i ，e