（计算机应用技术专业论文）基于dsp的ip语音平台的研究.pdf

摘要 随着计算机技术和网络技术的发展，以多媒体通信为主体的信息网络己成为世界 关注的热点。i n t e r n e t 的巨大成功，使得基于i p 的网络技术开始进入电信领域，i p 网络电话的成功开发和应用预示了以i p 为基础的新一代信息网络的出现。 i p 电话是v o l p ( v o i c eo v e ri p ) 提供的多媒体业务的一种，多媒体技术的不断 发展，对语音编码提出的要求也越来越高。不仅要求低码率、低延时，而且要求很高 的语音质量。而作为中低速率语音编码算法中的佼佼者g 。7 2 9 越来越受到广泛的重 视。目前，运用d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 技术研制开发基于语音压缩编码技 术的语音产品是大研究热点。 为了适应当前通信技术、电子技术、网络技术日新月异的发展形势，满足我国经 济建设和社会发展的需要，让学生对专业有关领域新发展及其应用前景有所了解，同 时使学生具有向交叉学科发展的必要基础。有适应新技术发展的初步能力，我们以基 于d s p 的i p 语音平台为背景进行了一些教学的改革和探索。 济南大学信息学院电子信息系和网络中心作为济南大学通信技术、网络技术、电 子技术等新技术、新业务的教学基地和实验基地，于2 0 0 1 年正式研究开发教学用的 基于d s p 的i p 电话语音平台。该平台综合了通信、程控交换、网络、d s p 技术、语 音编码等方面的知识，以语音网关、网守、程控交换机等硬件为基础，首先构架了一 个“基于校园局域网的i p 电话网络系统”，该系统不但可以满足相关课程的教学、实 践需要，而且对于校园局域网在语音、多媒体通信方面的扩展也起到了一定的借鉴作 用。结合基于d s p 的教学实验系统建设的需要，我们接下来在t i 公司的d s p 芯片上 实现了核心的语音编解码算法，让它来模拟实现整个系统成功的关键组件一i p 语音 网关的部分工作。目前该平台的前一部分工作已经测试成功，后一部分“基于d s p 芯片的教学实验系统”的工作也已经完成。 此平台中采用的核心语音编解码算法是i t u - tg 7 2 9 语音编解码算法，i t u t g 7 2 9 语音编码方案采用共轭结构代数码本激励线性预测技术( c s a c e l p ) ，算法具 有8 k b i t s 的编码速率、较低的延迟和高编码语音质量。它在会议电视、数字综合业 务网、网络多媒体通信和语音存储系统等领域都得到广泛的应用。 论文首先讨论了i p 电话的基本原理、实现方式等，随后在语音编码原理的基础 上。分析了c s - - a c e l p 语音编码算法原理及其特性。简要叙述了低速率语音压缩编中 采用到的一些相关理论基础以及g 7 2 9 编解码算法。随后把重点放在了我校i p 语音 系统的具体实现与基于d s p 芯片的语音处理系统的实现上，对其中的一些关键技术进 行了详细的论述。在g 7 2 9 标准的实现过程中，我们使用的是基于t i 公司的 t m s 3 2 0 c 6 7 x x 系列d s p 芯片，并提出了在t m s 3 2 0 6 7 1 l 上实现该标准的一个解决方案。 最后讨论了该方案实现过程中所遇到的一些问题及其解决方法。该平台的前一部分在 济南大学的校园局域网测试中，话音质量清晰、自然度好、运行可靠，后一部分经测 试也完全满足实时通信的要求。本文对多媒体通信系统的语音传输、相关专业的教学 改革均有一定的参考价值。 关键词：语音编码 g 7 2 9d s pi p 电话程控交换 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h ec o m p u t e rs c i e n c ea n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o n n e t w o r kb a s e do nt h em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m et h ef o c u sa l lo v e rt h ew o r l d t h es u r p r i s e ds u c c e s so ft h ei n t e r n e th a sm a d et h ei pb a s e dn e t w o r kt e c h n o l o g ye n t e r e d i n t ot h et e l e c o m m u n i c a t i o na r e a i pp h o n e ss u c c e s si sac h e e r i n go m e no ft h ee m e r g e n c y o ft h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r kb a s e do ni p i pp h o n ei sak i n do fm u l t i m e d i ao p e r a t i o no f f c r db vv o i ew i t ht h ei m p r o v e m e n to f m u l t i m e d i at e c h n o l o g y , c o m m o nu s e r sn o wa s kf o rm o r ea n dm o r ec o n v e n i e n c ef o rs p e e c h c o d i n g n o to n l yb i tr a t ea n dl o wd e l a yb u ta l s oh i g hq u m i t y a sag o o da r i t h m e t i co fl o w s p e e ds p e e c hc o d i n ga r i t h m e t i c ，c 订2 9i sr e g a r d e de x t e n s i v e l y a tp r e s e n t ，i ti sp o p u l a rf o r u st op r o c e s st h es p e e c hs i g n a l sw i t l lc o m p l i c a t e ds p e e c hc o d i n ga l g o r i t h m sb a s e do nd s p f o ra c c o m m o d a t i n gt h ec u r r e n t l yd e v e l o p m e n tp o s i t i o no fc o m m u n i c a t i o n 、e l e c t r o n a n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , m e e t i n gt h ed e m a n do fo u rc o u n t r ye c o n o m i c a lc o n s t r u c t i o na n d s o c i e t yd e v e l o p m e n t ，l e t t i n go u rs t u d e n t sc o m p r e h e n dn e w e rd e v e l o p m e n ta n da p p l i a n c e f o r e g r o u n di nt h er e l a t ef i e l d ，a tt h es a m et i m eh a v ef o u n d a t i o no fc r o s s o v e rs u b j e c t ，c a n a d a p tn e wt e c h n o l o g yd e v e l o p i n g ，w ec a r r yt h r o u g hs o m ed i d a c t i c a lr e f o r ma n de x p l o r e b a s e do nt h ei ps p e e c hl a b e l e c t r o n i ci n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n gp r o g r a mo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s c h o o la n dn e t w o r kc e n t r ei nj i n a nu n i v e r s i t ya r et e a c h i n ga n de x p e r i m e n tb a s eo f c o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r k ，e l e c t r o nn e t w o r kt e c h n o l o g y t h e yr e s e a r c h e di pp h o n es p e e c h 1 a bf o rt e a c h i n gi n2 0 0 1 ml a bi n t e g r a t e sc o m m u n i c a t i o n 、s p c 、n e t w o r k 、d s p 、 s p e e c hc o d i n gt e c h n o l o g yi n f o r m a t i o n ，w h i c hb a s e do nt h es p e e c hg a t e w a y , g a t e k e e p e r , s w i t c h i n go fp r o g r a m m e rc o n t r 0 1 t h ef i r s tc o n s t r u c t i o no f “i pp h o n en e t w o r ks y s t e m b a s e do nt h ec a m p u sl a n ”n o to n l ys a t i s f yt e a c h i n ga n dp r a c t i c ed e m a n do fr e l a t e dc o u r s e ， b u ta l s oh a v es o m ee f f e c tt h a tc a m p u sn e t w o r ke x p a n do nt h es p e e c ha n dm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n c o n s i d e r i n gd e m a n dt h a tc o n s t r u c t i o no ft h et e a c h i n ge x p e r i m e n ts y s t e m b a s e do nd sp t h e nw ec a r r yo u tn u c l e u ss p e e c hc o d i n ga l g o r i t h m so nt h ed s pc h i po f t i i n c i tc a ns i m u l a t ei m p l e m e n tp a r t i a lw o r ko fi ps p e e c hg a t e w a yw h i c hi st h ek e ym o d u l e t h a tt h ee n t i r es y s t e mw i l ls u c c e s s n o wt h ef o f m e rw o r ko ft h el a bh a ss u c c e s s e d ，a n d t h el a t e rw o r kh a sf i n i s h e da l r e a d y n u c l e u ss p e e c h c o d i n ga l g o r i t h m st h a ta d o p t e da tt h e l a bi si t u tc t 7 2 9s p e e c h c o d i n gp r o t o c o l ，g 7 2 9a d o p t s t h e c o n j u n g a t e s t r u c t u r ea 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 e d i c t i o n ( c s a c e l p ) t e c h n o l o g y i th a st h ep e r f o r m a n c eo fc o d i n gr a t eo f8 k b i “s 1 0 wd e l a ya n dh i g hr e c o n s t r u c t e ds p e e c hq u a l i t y i ti sw i d e l yu s e di nv i d e ot e l e p h o n y ， b i s d n n e t w o r km u l t i m e d i as y s t e m sa n dd i g i t a ls p e e c hs t o r a g es y s t e m s ，e t c i nt h i st h e s i s ，t h ep r i n c i p l eo fi pp h o n ea n dr e a l i z a t i o na r ed i s c u s s e df i r s t l y a f t e r i n t r o d u c i n gt h ep r i n c i p l eo fs p e e c hc o d i n ga n dg 7 2 9 t h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co f c s a c e l pa r ed i s c u s s e d t h ed e e pa n a l y s i sc o n c e n t r a t e so nt h ei m p l e m e n to fi ps p e e c h s y s t e mo fo u rc a m p u sa n ds p e e c hp r o c e s ss y s t e m a n dt h e n ，s p e e c hc o d i n ga n d d e c o d i n g a r er e a l i z e da tt h eb a s eo f t it m s 3 2 0 c 6 7 1ld s pc h i p a n dap r o j e c ti sp r e s e n t e dt o o t h e p a r tq u e s t i o n sf a c e da n ds e t t l e m e t h o d sa b o u ti m p l e m e n t i n ga r ee x p a t i a t e da tl a s t e x p e r i m e n t sp r o v e t h a tt h ef o r m e ro ft h el a bh a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g hq u a l i t y , w e l lo p e r a t i o n ，a n dt h el a t e rm e e t st h er e q u i r e m e n ti nt e l e c o m m u n i c a t i o nc o m p l e t e l y - t h e t h e s i sh a sd e f i n i t er e f e r e n c ev a l u eo nt h es p e e dt r a n s m i s s i o no ft h em u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt e a c h i n gr e f o r mo f t h er e l a t e ds u b j e c t k e yw o r d s ：s p e e c hc o d i n g g 7 2 9d s p i p t e l e p h o n es w t c h i n go f p r o c e s sc o n t r o l i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：们艿朋-日期：塑，_ r 坦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：幽翩签名：逊吼竺! ! 兰尘 济南大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题研究的背景及意义 随着通信技术朝着综合化、数字化、智能化、个人化方向的发展，在单一网络平 台上实现语音、数据、图像等多种综合业务已经成为电信网络发展的目标和必然趋势。 全球化i n t e m e t 技术的迅猛发展，正在深刻地改变着人们的日常生活方式。i n t e m e t 在电子商务、i p 电话、i p 传真、i p 会议电视等领域不断取得新的应用，新概念、新 技术层出不穷。特别是i p 电话的出现，使话音业务在数据网上连续、高效地传送成 为可能，提供了一种强大、经济、有效的崭新通信手段，传统的电话网络和数据网络 正在逐渐融为一体。c i s c o 公司总裁j o h nc h a m b e r s 在一次演讲中说到：十年之后，通 信网中再也见不到传统的交换机全将是基于i p 的网络。此言并非骇人听闻，这是一 个非常值得认真关注的方向性问题。“1 但i n t e m e t 数据网真正成为未来通信网的主导还需要很长的时间，电话网仍将长 期存在。从保护现有投资角度出发，应该无缝地集成现有的数据网络和电话网，使它们 能够有效地互联互通，为平滑地过渡到未来的数据网络环境打下基础。目前，很多单位 都撤消了内部交换机，并入了电信网或租用虚网服务。原来的内部电话系统或废弃不 用，或仅作为正常电话系统的补充，等待自然报废。结合i p 电话技术和普通电话网技 术的特点，在旧交换机的中继线端进行改造，并入局域网，使语音能够在局域网间传输， 将实现局域网间的长话功能。这将极大地降低局域网间长话的费用。若采用更先迸的 调制技术，还可能实现在原有电话系统中传输可视电话的功能。总之，对交换机并入局 域网的改造是i p 电话的一种实现方式，具有积极的现实意义和理论价值。 数字信号的传输和存储，无论在可靠性、抗干扰性、保密性还是价格方面都远优 于模拟信号，但数字化后的信号所占频带大大加宽，因此必须对数字信号进行压缩编 码以减少所占的带宽。随着多媒体信息技术和网络技术的高速发展，数字语音压缩技 术的应用领域越来越广泛，尤其在可视电话、会议电视、i p 网络电话、数字蜂窝移 动通信、数字卫星系统、数字线路倍增设备( d c m e ) 、综合业务数字网( i s d n ) 、公 共交换电话网( p s t n ) 、话音存储转发系统等领域中。压缩语音的目的是在保证语音一 定质量的前提下尽可能降低其编码比特律，以便在有限的传输带宽内让出更多的信道 来传输图像、传真、文档、计算机文件和其他数据流，从而达到传输资源的有效利用 和网络容量的提高。 在语音处理领域，语音压缩编码技术已蓬勃发展了近= 十年，取得了许多成果， 其中i t u 推出的g 7 2 3 1 、g 7 2 9 是其重要的语音压缩编码算法标准。但它们都存在 着计算量和数据存量大的固有缺陷，而且实际系统都必须重点考虑性能价格t b 因素， 这样的系统不可能像p c 机提供j g z , 丰富的资源，所以必须寻找一种运算功能强大而 且价格又较合理的芯片才能把语音编码杯准应用于实际系统中。“ 随着超大规模集成电路技术上取得的突破进展，集成化的d s p 数字信号处理器具 有体积小，功耗低和运算速度快等诸多优点，它能每秒处理数以千万条复杂的指令程 序，其处理速度比阻往最快的p c 处理器还快1 0 5 0 倍，是数字化电子世界中不可缺 少的核，t l , 部件。目前的d s p 芯片以其强大的数据处理功能而在通信和其他信号处理领 域得到了广泛注意，并已成为开发应用的技术热点。 基于d s p 的i p 语音平台的研究 济南大学信息学院电子信息系和网络中心作为济南大学通信技术、网络技术、电 子技术等新技术、新业务的教学基地和实验基地，于2 0 0 1 年正式研究开发基于d s p 的i p 电话语音平台。本课题设计的平台综合了通信、网络、电子技术开发、程控交 换、语音编码等方面的知识，该系统不但可以满足通信原理、程控交换、计算机网络 相关课程的教学、实践需要，更好的促进这些课程的教与学问题，而且对于校园局域 网在语音、多媒体通信方面的扩展也起到了一定的借鉴作用。在该平台中，我们不仅 设计实现了“基于校园网的i p 语音网络系统”，而且为了让学生对网络、电子设计和 语音编码的知识更加了解，我们又构建了“基于d s p 芯片的语音处理系统”，让它来 模拟实现整个系统成功的关键组件一i p 语音网关的部分工作。处理器的核心是i p 电 话的关键所在，负责执行各种电话功能，包括语音处理、呼叫处理、摘挂机处理等等。 其中语音处理部分包括语音压缩、静音激活、回波消除、拨号音的产生等等。d s p 主 要是完成信号处理功能，而呼叫处理、通信协议的转换、数据的打包、网络的管理以 及用户界面的支持。这些都属于一般性的处理功能，可以由用户p c 机软件来完成。 1 2 研究内容 在本课题的研究中我们是遵循以下步骤逐次进行的： 首先完成基于d s p 的i p 语音平台总体设计和规划： 乖j 用相应组件完成i p 语音系统构成、测试； 构建基于d s p 芯片的教学实验系统： 对g 7 2 9 协议进行分析研究和基于d s p 的实现： 实现该系统时，使用了t i 公司专门为c 6 0 0 0 系列d s p 所开发的集成开发环 境：c o d ec o m p o s e rs t u d i of o r6 0 0 0 ，它是一个集成的d s p 开发工具套件，包括c 6 0 0 0 的c 编译器、汇编优化、链接、软件模拟器、d s p b i o s 、实时数据交换模块等。在比 较分析原始语音信号和经过处理的语音信号时，“使用c o o le d i t e r 软件。它是一种 专门用来对音频文件进行分析的工具。 此外还需要在i p 语音系统中的程控交换机、i p 语音网关、网守等，这些设备在 后面章节中会具体介绍。 1 3 课题创新之处 近几年我校先后建立了电子信息、网络工程、通信工程等专业，计算机网络、d s p 技术、通信原理、程控交换等相关的课程和实验也陆续开设为了适应当前通信技术、 电子技术、网络技术日新月异的发展形势，满足我国经济建设和社会发展的需要，让 学生对专业有关领域新发展及其应用前景有所了解。同时使学生具有向交叉学科发展 的必要基础，有适应新技术发展的初步能力，我们以基于d s p 的i p 语音平台为背景 进行了一些教学的改革和探索。 该平台的建立，会带来如下明显效果： 1 学生首先可以接触实际的电话程控交换机以及i p 语音通信设备，对于通信的具 体过程会有比较深刻的认识，对于相关的通信和网络设备的使用会有更多的体会。 2 学生可以真正的参与到电子设计过程中，通过自己设计系统、调试自己做好的系 统，学生可以更多的掌握电子设计知识、d s p 知识，进一步提高学生的动手实践 能力。 济南大学硕士学位论文 3 由于语音编码涉及到了信号与处理、高等数学、数字信号处理等相关理论知识， 通过对该编码算法的学习，学生可以更好的掌握上述知识，调动学生的主观能动 性。 4 对于掌握当前热点的多媒体通信的研究有一定的实际意义。 5 对于校园局域网在语音、多媒体通信方面的扩展也起到了一定的借鉴作用。 基于d s p 的l p 语音平台的研究 第二章i p 电话原理 随着因特网技术的发展，i p 电话( 包括i p 传真) 只用了不到5 年的时间。就从 诞生到成为万众瞩目的焦点；从实验室中的“玩具”到成为吸引越来越多用户和运营 商青睐的是实用化产品。作为一种新的增值业务，i p 电话以比传统电话大为低廉的 价格，为用户带来的巨大的经济实惠，同时也为自身发展提供了原动力。这种惊人的 发展速度显示出i p 电话正在对传统电话造成一定的冲击。 i p 网络是基于i p 协议的分组交换网络，它包括i n t e r a c t 和i n t r a n e t 。i pp h o n e 是基 于i p 网络拨打的电话。i n t e r a c t 是一个有许多计算机网络互联组成的、遍布世界各地 的一个网间网。它使用标准的t c p 口协议进行通讯和数据的交换。 2 1 i p 电话产生的背景 数字化、分组化、多业务仡、智毹化和传输光纤化是电信网和信息网的发展方向。 在这一进程中，随着用户可接入带宽( a v a i l a b l e a e c e s & b a n d w d t h 逐步增加，t c p ，i p 协议和w e b 技术成为促使因特网蓬勃发展的两大支柱技术。因特网应用在涵盖了当前 几乎所有的数据业务之后，为了寻求新的增长点和“杀手应用”( k i l l e ra p p l i c a t i o n ) ， 又向话音、视频等实时通信领域扩展。随着用户可接入带宽进一步增加和信源压缩编 码技术的逐步成熟，实时或准实时业务在因特网上传输已成为可能，于是i p 电话就应 运而生了。 、 i p 电话实质上是一种分组话音通信，在此之前，类似的技术已有许多，如x 2 5 上 的话音，帧中继上的话音，以及当前研究热点a t m 上的话音等。如果单纯从技术角度 讲。i p 电话只是一些成熟技术在因特网上的集成实现。为何i p 电话能够脱颖而出? 其 主要原因有： 1 i p 的普遍存在。i p 及其相关协议在用户和网络设备中已经大量存在。关键一点 是i p 已经占领了大量的用户终端设备( 那些潜在的有竞争力的技术如a t m 、帧中继。 现在还只用于用户网络接口u n i ) 。毫无疑问，许多现存技术还没有应用到用户终端 设备，这使得大量存在于用户的个人计算机和工作站上的i p 具有了决定性的优势。i p 的这一“地位”使它成为处理语音业务的理想平台。不久的将来，基于计算机的电话 就会变得很普遍，并成为现有电话系统的自然扩展。而且， i p 既可以用于广域网也 可以用于局域网，而帧中继则只能用于广域网。” 2 低廉的价格。i p 电话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。这样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。 3 语音和数据的综合。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。语音和数据 综合可使带宽合并，而带宽合并使得数据信道的利用率得到提高。传统的电话技术， 语音独占以时隙划分的信道( 如信道组、数据业务单元d s u 等) ，这不是支持数据应 用的有效技术。而i p 电话使用新的统计时分复用( s t a t i s t i c a lt d m ，s t d m ) 的数据通 信机制则可以更加有效地使用宝贵的带宽资源。s t d m 方式使得只有在用户需要时才 4 济南大学硕士学位论文 占用带宽资源，当这个用户不讲话时，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 8k b p s 8k b p s ，而 目前使用的t d m 电话信道都运行在6 4k b p 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8k b p s ，那么消耗的带宽的是原来的l ，8 。 4 ，多业务网的转变。当前信源编码技术、传输技术及交换技术的发展，为实现 新一代高速宽带网络提供了技术保证：用户和运营商对业务需求的本质有了深入的理 解，他们明确提出了多业务网的需求，即：业务的运作方式由原先运营商提供、用户 只能在有限的范围内选择，转变为由用户决定产生何种业务、运营商负责服务和维护。 这样，未来的各种新业务就必将如雨后春笋不断产生。以业务开发带动技术换代，i p 电话将成为多业务网的初试啼声。“m 2 2 语音在l p 网络上的基本传输 为了在一个i p 网络上传送语音信号，要求几个元素和功能。我们先来看看数据 在i p 网络的的传输过程。t c p i p 协议采用“包交换”的技术在网络上进行数据的传 输。它把需要传输的数据按照一定的标准划分为大小相等的包，每个数据包中包含有 发送地址、接收地址、数据包的大小、要传递的数据以及包的编号。 由于传输的数据被分成许多的数据包，各数据包与其他计算机上的数据包一起在 网上流动，平等地分享数据通讯线路，各数据包可以单独选择从不同的路线到达目的 地，当数据到达目的地后，按照编号顺序重新组合成一个完整的数据。 p 电话正是采用口网络的分组交换技术，将语言信息进行压缩、分组处理形成数 据包在网络上单独传输，大大提高了网络的使用效率。 最简单形式的语音网络由两个或多个具有v o l p 功能的设备组成，这些设备通过 一个i p 网络连接。如图3 一l 所示的简单网络，可以发现v o i p 设备是如何把语音信号转 换成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。两者之间的网络必须支持i p 传输，且可以是i p 路由器和网络链路的任意组合。 1 语音一数据转换 语音信号肯定 是模拟波形，为了在 数字数据网络上传 送这些模拟波形，首 先必须把它们转换 成某种类型的数字 格式，这可以使用各 种语音编码方案来 实现。源和目的地的 语音编码器和语音 解码器必须实现相 同的方案，这样目的 图2 1 简单的v o i p 的网络 _ - 声畦 _ + 声蛙 地设备可以成功地再生由源设备以数字格式编码的模拟信号。 2 原数据到i p 的转换 一旦语音信号进行了数字编码，它就变成另一种形式的数据由网络传送。语音网 基于d s p 的i p 语音平台的研究 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，并通过网络发送，一站一站地转发到目 的地。为了支持这种网络上的数字语音数据的传送，v o i p 设备必须接收语音数据，把 它们分组成i p 数据报( 分组) ，附带寻址信息，并把它们发送到网络中。 3 传送 网络中的中间节点检查每个i p 数据报附带的寻址信息，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p 数据流的任何拓扑结构或访 问方法。 4 i p - 数据的转换 目的地v o 口设备接收这个p 数据报并开始处理。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设备解码过程。 5 从数据转换回到语音 语音解码过程解释源站点产生的原数据，并通过解码功能处理。解码功能的输出 就是一个与源站点馈入线收到的原始语音信号近似的模拟信号。简而言之，语音信号 在i p 网络上的传送 蕊般电气情号= 艘i 瑚i 糊燕曦据 缸 要求语音信号从模 拟信号到数字信号 的转换，数字语音 数据的分组，分组 信息通过网络的传 送，语音数据的解 包和数字语音数据 到模拟信号的转 换。这个过程如图 2 1 所示。 整个传输过程 可参考图2 2 。 2 3v o i p 基础 前面的例子只 涉及在简单数据网 囹日国国 = 臣厨卢峨 。蝴同靖 域攘电气恼母一二避删拯箍丹娥双 m 技嚣佩 斟2 - 2 简化的v o i p 传送过程 络上传送语音信号 所要求的基本功能，但缺少构造一个简单v o i p n 络要求的几个功能，最基本的功能是 语音压缩，电话号码映射，呼叫分段鉴别( 对等建立) 和语音数据传送的协议。 1 语音压缩 为了减少把模拟数据转换成数字信号和在分组交换网络上传送数字信号所引起 的开销，可以使用压缩算法减少在分组交换网络上传送的语音数据量。语音压缩操作 于初始的模数转换产生的数字信号，并减少语音信号使用的带宽达8 ：l 或更多。这个 数据量的减少帮助补偿对各个分组应用的寻址信息( i p ，u d p s i r t p 报头) ，并允许 更多的语音呼叫通过带宽有限的链路。 2 电话号码映射 6 济南大学硕士学位论文 上面的简单v o i p 例子假定每个v o i p 设备只发送和接收来自一个节点的呼叫。在 更现实的环境中，要求v o l p 设备与多个设备形成动态的连接。在语音界，使用一个拨 号串或电话号码选择目的地，而在i p 中，使用i p 地址选择目的地。为了允许一个v o l p 路由器与一组其他的v o i p 路由器通信，要求用一种方法将电话用户拨的电话号码映射 到路由器使用的i p 地址。这个映射可以在每个路由器中静态执行，或者使用域名系统 ( d o m m n n a r d i n gs y s t e m ，d n s ) 动态执行。连接及其相关的电话号码的计划称为拨 号计划( d i a lp l a n ) 。 3 呼叫分段鉴别 为了合适地鉴别、处理和转发语音呼叫，路由器把这些呼叫划分成段，称为呼叫 分段。一旦被鉴别，路由器可以对每个呼叫分段应用特定的服务，包括终止会话。 4 会话协议 实时协议( r e a lt i m ep r o t o c o l ，r t p ) 是在i p 网络上传送语音和视频传输的标准化 方法，它通过提供定时、定序和其他控制功能，使无连接i p 数据流适应于支持实时传 输。r t p 由一个i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ( i e t f ) 标准定义，保证多制造商环境中 的互操作性。 5 。推动v o l p 的技术 由于硬件、软件、协议和标准中的许多进展和发明，v o i p 的广泛使用很快就会 变成现实。这些领域中的发展推动了创建一个更有效、功能和互操作性更强的v o l p 网络。表2 1 简单列出了这些领域中的主要发展。脚 协议和标准软件硬件 实时协议和实时控制协议 。 压缩实时协议( c r t p )数字信号处理器( d s p ) 资源保留协议( r s v p ) 加权公平排队法( w f q ) 高级专用集成电路( a s i c ) 有区别服务额定访问速率加权随机早期检测( w r e d )密集波分多路复用( d w d m ) h 3 2 3 通用信元速率算法( g c r a )同步光纤网络( s o n e t ) g 7 2 9 ( 3 7 2 9 a额定访问速率( c a r )数字用户线路( a d s l 、 会话启动协议( s i p )令牌桶一通用数据流整形 r a d s l 、s d s l ) p a c k e to v e rs o n e t帧中继数据流整形中央处理单元技术 f r f 1i f r f 1 2i p 优先 多链路p p p 2 4i p 电话的实现 表21v o l p 的相关技术 2 4 1i p 电话的实现方式 1 9 9 5 年3 月，以色歹l j v o c a l t e c 公司率先推出了i n t e r n e tp h o n e ，他可以利用v o c a l t e c 软件、一个声卡、麦克风和i n t e r n e t 连接在p c 机上进行实时语音通信。虽 然开始i p 电话以c t i 的子集出现，但 到目前，从技术上看它与c t i 己没有 太大的区别，并且产品已大规模地应 用于市场。i p 电话从产生发展到现 在，共经历了三种通话方式。 图2 3p ct op c 的通话方式 ( 1 ) p c t o p c 的通话方式 基于d s p 的i p 语音平台的研究 最初的l p 电话是个人计算机与个人计算枫( p ct op c ) 之间的通话。一些拥有电 脑，并且可以连接使用互联网的客户使用双方的电脑与调制接调器，利用安装好的声 卡及相关软件，加上麦克风( 或话筒) 和扬声器，双方在约定时间同时上网进行通话， 实现的原理如图2 - 1 所示。p ct op c 方式的i p 电话，要求通话双方知道双方网络地址， 而且，必须约定同时上网，它是一种点对点( p o i n tt op o i n t ) 的通讯方式。因此i p 电 话在普通的商务领域中就显得相当麻烦，难以商用化或进入通信领域。 ( 2 ) p ct op h o n e 的通话方式 随着i p 电话的优点逐步被人们认识，许多电信公司在此基础上进行了开发，从而 实现了计算机与普通电话之间的通话( p c t o p h o n e ) ，如图2 2 所示。计算机用户需要 有能连接使用国际互联网( i n t e m e t ) 的普通计算机( p c ) ，一台调制解调器( m o d e m ) 计算机上同样应该装有声卡和麦克风及扬声器，并且还必须要安装i p 电话的软件。电 话机用户，应当具备拨号连接本地网i p 电话网关( g a t e w a y ) 的功能。计算机方呼叫 呼叫远端电话方法是：先通过i n t e r n e t 登陆到网关，进行帐号确认，提交被口u 号码，然 后有网关完成呼q 。电话呼叫远端计算机( p c ) 方法是：计算枫应当向i n t e m e t 提供 一个固定的地址，并且在电话所在网关上进行登记，电话向网关呼叫，通过网关自动 呼叫被叫计算机( 计算机不 能关机) 。 在p ct op h o n e 方式的 i p 电话中，拥有电话的一 方，可以不必安装计算机及 相关软件与设备。目前，国 内有些计算机用户与国外进 个 计算机( r e ) 网关 ( g a m v a y ) 普通电话机 ( p h o a e ) 行p 电话的通话已采用这种方式。但是，这种方式仍然十分不方便，无法满足公众 随时需要的通话方式。 ( 3 ) p h o n et op h o n e 的通话方式 在前两种i p 电话方式的基础上国际许多大的电信公司又推出了普通电话与普 通电话之闻的通话，如图2 3 所示。普通电话客户通过本地电话拨号连接互联网电话 的网关( g a t e w a y ) ，输入帐号、密码，确认后输入被叫号码，这样本地与远端的网络 电话通过网关透过l n t e m c t 进行连接，远端的i n t e m e t 网关通过当地的电话网呼叫被 叫用户，从而完成普通电话客户之间的电话通信。作为网络电话的网关，一定要有专 线与i n t e m e t 网络相 连，即是i n t e r a c t 网 上的一台主机，目前 双方的网关必须用相 同公司的产品。这种 通过i n t e m e t 网络实 现普通电话的通信方 普通电话杌网关 网夭苛通电话机 ( p h o n e )( r ；a 啼a 订( g a t e w a y ) ( p h o n e ) p h o n et op h o n e 通话方式 式就是人们通常讲的i p 电话，也是目前发展最快而且最具有商用化前途的电话。 2 4 。2i pp h o n e 的通话过程 济南大学硕士学位论文 m l 主叫用户主叫网关网守 被叫网关 被u 用户 品痧 ( i ) 输入棱呈二 q j 五音提示 、，、望) 用户认证 叫 。 通过二 t ( 8 ) 地址映射 ( 9 ) 连接网关 t ) 输入被叫萄 c _ 1 0 ) 呼叫被叫夯 建立砰叫 一 ( 1 1 ) 被叫状态 o 2 ) 建立语音剧 亭 矗汴弦、 ( 1 3 】淄随话 7 堡止记赞 4 ) 结柬通话挂杌_ 二 ( 1 6 ) 释放语旨连接通道巡， ( 1 8 ) 挂贮 r 7 7 图2 - 6 记帐卡的通信过程 实际的语音服务实现起来非常复杂，其基本通信原理和过程分为呼叫建立、通话 和呼叫拆除三部分。在呼叫建立阶段，需要完成用户身份验证、网关路由、协商语音 编码方法等工作，在通话中应建立r t p 分组流及进行带宽管理、通话质量管理。图 2 - 6 为记帐卡用户的通信过程。具体步骤为： ( 1 ) 主叫用户拨打i p p h o n e 接入号码： ( 2 ) 主叫网关播放录音通知( i v r ) ，请用户输入卡号和密码： ( 3 ) 主叫网关将卡号和密码送网守进行用户身份认证； ( 4 ) 网守将认证结果送回主叫网关： ( 5 ) 主叫网关播放录音通知，请用户输入被叫号码，或要求用户输入正确的卡号和 密码； ( 6 ) 主叫网关将被叫号码送网守进行地址映射( 或路由选择) 寻找被叫网关的i p 地址； ( 7 ) 网守进行网