一種基于嵌入式技術(shù)的VoIP網(wǎng)關(guān)設(shè)計

作為目前熱門的嵌入式技術(shù)，開發(fā)基于嵌入式技術(shù)的voip網(wǎng)關(guān)有助于進(jìn)一步拓寬嵌入式技術(shù)的應(yīng)用范圍。本文介紹了基于嵌入式arm處理器的voip網(wǎng)關(guān)模塊的設(shè)計思路，并結(jié)合核心芯片ac4880xc-c詳細(xì)介紹了該模塊的設(shè)計流程、軟硬件結(jié)構(gòu)及其工作方式。

voip的應(yīng)用趨勢
作為ngn（下一代網(wǎng)絡(luò)）中的重要組成部分，voip是面向未來、可持續(xù)發(fā)展的語音解決方案，可以為商業(yè)和家庭用戶提供質(zhì)優(yōu)價廉的ip語音服務(wù)。隨著ngn網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，voip的通信量也已得到快速增長，并以其低廉的價格優(yōu)勢迅速占有市場。

voip語音技術(shù)與傳統(tǒng)電話的區(qū)別

voip（又稱ip phone）是建立在ip技術(shù)上的分組化、數(shù)字化語音傳輸技術(shù)。其基本原理是：通過語音壓縮算法對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼處理，然后把這些語音數(shù)據(jù)按ip等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，經(jīng)過ip網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)浇邮盏?，再把這些語音數(shù)據(jù)包串起來,經(jīng)過解碼解壓處理后,恢復(fù)成原來的語音信號，從而達(dá)到由ip網(wǎng)絡(luò)傳送語音的目的。voip系統(tǒng)把傳統(tǒng)電話的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機可聯(lián)入因特網(wǎng)傳送的ip數(shù)據(jù)包,同時也將收到的ip數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成聲音的模擬電信號。經(jīng)過voip系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換及壓縮處理，每個普通電話傳輸速率約占用8～11kbit/s帶寬，因此在與普通電信網(wǎng)同樣使用傳輸速率為64kbit/s的帶寬時， voip線路數(shù)是原來的5～8倍。同時，ip技術(shù)允許多個用戶共用同一帶寬資源，改變了傳統(tǒng)電話由單個用戶獨占一個信道的方式，節(jié)省了用戶使用單獨信道的費用。

voip的基本結(jié)構(gòu)由網(wǎng)關(guān)（gw）和網(wǎng)守（gk）兩部分構(gòu)成。網(wǎng)關(guān)的主要功能是信令處理、h.323協(xié)議處理、語音編解碼和路由協(xié)議處理等，對外分別提供與pstn網(wǎng)連接的中繼接口以及與ip網(wǎng)絡(luò)連接的接口。網(wǎng)守的主要功能是用戶認(rèn)證、地址解析、帶寬管理、路由管理、安全管理和區(qū)域管理。voip的核心與關(guān)鍵設(shè)備是voip網(wǎng)關(guān)。

1、voip實現(xiàn)原理框圖：（如圖1）

2、嵌入式系統(tǒng)中voip的工作過程：

① 在單個獨立的嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行語音通信時，該系統(tǒng)實現(xiàn)功能的過程如下：用戶話音脈沖通過slic和codec電路產(chǎn)生pcm流，載入語音處理器ac4880xc-c中，通過片內(nèi)dsp進(jìn)行語音壓縮、成幀（包括地址等用戶信息及語音信息），ac4880xc-c再將數(shù)據(jù)包通過hpi口傳送到主系統(tǒng)，完成交換功能后，認(rèn)定目的地是本系統(tǒng)的另一個用戶，將處理過的話音數(shù)據(jù)包傳給ac4880xc-c，ac4880xc-c進(jìn)行解壓縮后， 以pcm流返回到codec部分，根據(jù)目的地址信息驅(qū)動目的用戶。 ② 在嵌入式系統(tǒng)之間進(jìn)行語音通信時，過程如下：ac4880xc-c將話音數(shù)據(jù)包通過hpi口傳給本系統(tǒng)后，本系統(tǒng)的交換功能認(rèn)定目的地是另一個嵌入式系統(tǒng)的一個用戶，本系統(tǒng)將數(shù)據(jù)包重組后，通過i/o端口傳給目的系統(tǒng)，由目的系統(tǒng)自動完成解壓縮，驅(qū)動目的用戶的功能。

系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

硬件設(shè)計為以下六塊組成

1、slic（用戶線接口電路）部分

采用amd公司生產(chǎn)的am79r70plcc芯片，通過該芯片產(chǎn)生輸入、輸出話音脈沖和鈴音脈沖。

2、codec（編解碼）部分

采用amd公司生產(chǎn)的am79q021jc編解碼芯片，通過該芯片產(chǎn)生的pcm流送到語音處理芯片處理。 3、語音處理部分

作為本系統(tǒng)中的核心部分，語音處理采用以色列audiocodes公司生產(chǎn)的專用多通道語音處理芯片ac4880xc-c。它具有以下特點：

⊙ 支持itu的g.711、g.723.1、g.726、g.729a等分組語音處理標(biāo)準(zhǔn)；

⊙ 支持回波抵制和抵消、靜音檢測和舒適噪音等提高分組語音處理性能的配套模塊；

⊙ 高質(zhì)量壞幀插補；

⊙ 支持2.4~14.4 kbps的t.38和frf.11的功能傳真業(yè)務(wù)；

⊙ 支持各種信令，如dtmf等；

⊙ 提供語音、傳真、數(shù)據(jù)或信令等pcm高速接口；

⊙ 可選擇 或o 律；

⊙ 輸入輸出增益控制；

⊙ 提供同步hpi、pcm、時鐘、存儲器以及i/o和仿真測試接口(如圖2)；

4、cpld部分

ac4880xc-c采用8位并行的主處理器接口hpi接口與主系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。鑒于嵌入式系統(tǒng)中接口邏輯繁雜，選用cpld實現(xiàn)接口適配功能。主cpu可通過cpld控制實現(xiàn)codec 和slic部分的功能。

5、hpi接口部分

本設(shè)計中，嵌入式系統(tǒng)cpu與ac4880xc-c通過hpi接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，cpu通過ac4880xc-c片內(nèi)共享的雙口存儲器與其片內(nèi)dsp實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。
hpi接口包括1根8位數(shù)據(jù)總線和11根控制總線。主系統(tǒng)cpu通過三個寄存器（hpic、hpia和hpid）控制ac4880xc-c及訪問片內(nèi)存儲空間。hpic為控制寄存器，用來選擇ac4880xc-c的高低字節(jié)順序。hpia為地址寄存器，用來尋址片內(nèi)的2k存儲空間。hpid為數(shù)據(jù)寄存器，用來緩存每次讀寫的兩個字節(jié)數(shù)據(jù)，外部cpu以單個word或塊數(shù)據(jù)訪問hpid。以塊數(shù)據(jù)方式訪問時，hpia寄存器自動累加，可減少外部cpu寫hpia寄存器的開銷。ac4880xc-c的內(nèi)部寄存器和存儲器為16位，外部cpu每次訪問ac4880xc-c必須以兩個字節(jié)為基本單位，信號線hi/lo用來選擇高低字節(jié)，信號hrs1、hrs0指示當(dāng)前訪問的是哪個寄存器。

6、語音接口部分

語音接口提供未壓縮語音、傳真數(shù)據(jù)的i/o通道。語音接口對外提供四根信號線pcmin、pcmout、pcmclk、pcmfs構(gòu)成pcm總線，直接連接外部codec芯片的pcm highway。pcmin輸入從codec送來的pcm信號，ac4880xc-c內(nèi)部的dsp按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)壓縮后從hpi口交給主系統(tǒng)cpu 處理。pcmout則相反，ac4880xc-c將主系統(tǒng)cpu送來的語音數(shù)據(jù)按照合適的標(biāo)準(zhǔn)解壓縮，然后從pcmout口送到外部codec，codec經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換后恢復(fù)成語音信號再通過用戶接口送給用戶端。pcmclk提供2.048mhz的比特同步時鐘，而pcmfs提供8khz的幀同步時鐘。pcm主時鐘（bclk）、幀同步時鐘（fs）、接收數(shù)據(jù)（dr）和發(fā)送數(shù)據(jù)（dx）一起構(gòu)成pcm highway信號，與ac4880xc-c進(jìn)行連接。bclk與fs分別對應(yīng)ac4880xc-c的pcmclk和pcmfs，這兩個時鐘信號都由ac4880xc-c 產(chǎn)生；dr和dx分別對應(yīng)ac4880xc-c的pcmout和pcmin。pcm highway信號時序以及時隙與幀同步信號的關(guān)系分別如圖3、圖4所示。為了codec與dsp芯片間正確收發(fā)數(shù)據(jù)，一般選擇codec芯片在bclk的上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)dx，下降沿采樣數(shù)據(jù)dr，而在另一端的ac4880xc-c，則在時鐘下降沿采樣pcmin，上升沿發(fā)送pcmout。

該系統(tǒng)軟件主要用于對ac4880xc-c進(jìn)行控制，實現(xiàn)讀寫等操作。

1、編寫芯片ac4880xc-c的讀寫函數(shù)

圖5 軟件流程圖(略)

主要是基于嵌入式arm處理器，通過hpi接口實現(xiàn)對ac4880xc-c及相關(guān)芯片的讀寫操作。流程圖如圖5所示：

2、配置ac4880xc-c內(nèi)部設(shè)置

首先通過處理器對codec和cpld進(jìn)行配置，并調(diào)用audiocodes 公司提供的初始化內(nèi)核程序?qū)c4880xc-c進(jìn)行復(fù)位初始化。復(fù)位成功后，寫入內(nèi)核程序，然后寫入工作程序，最后再將這些程序通過ac4880xc-c的hpi接口寫入到ac4880xc-c，芯片即開始工作。

結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)作為一種功能強大的軟硬件操作開發(fā)平臺，很適合基于嵌入式arm處理器的voip的開發(fā)。ac4880xc-c是一款功能強大語音處理芯片，本方案利用該芯片作為核心芯片，配以其他功能芯片實現(xiàn)了基于嵌入式技術(shù)的voip網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)已應(yīng)用于嵌入式綜合實驗平臺，效果十分理想，在ip電話和多媒體通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣泛。