基于IXP421的VoIP網(wǎng)關(guān)及其性能測評

引言

就voip設(shè)備來說，如果語言處理器的功能和其他應(yīng)用功能由一個處理器來完成，必然能極大地簡化電路，降低成本，intel的ixp421即是這些多功能處理器的其中一種，它的pcm接口使voip設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)大大簡化了，其可以通過選擇不同微代碼的方式實現(xiàn)更加靈活的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

intel提供的解決方案是通過軟件dsp實現(xiàn)語音處理，并聲明dsp模塊可同時處理四路pcm窄帶話音，支持多種語音編碼及回波消除等功能，眾所周知，單路單向pcm語音速率為64kbps，單路雙向為128kbps，4路雙向則為512kbps，如何保證語音處理所需要的cpu時間是個關(guān)鍵問題。

另外，回波消除或其他附加功能也會增加處理時間，在設(shè)計中還要考慮內(nèi)存讀寫、任務(wù)切換、中斷處理等系統(tǒng)因素造成的影響。

ixp421簡介

ixp421是intel公司開發(fā)的采用xscale內(nèi)核的ixp4xx系列處理器之一，主頻為266mhz，ixp421采用多處理引擎和硬件多線程處理機(jī)制，它包括了一個處理器內(nèi)核和兩個并行網(wǎng)絡(luò)處理引擎，其中xscale內(nèi)核微處理器核心，它是以arm v5內(nèi)核為原形，進(jìn)行了dsp功能擴(kuò)展，并優(yōu)化了16位數(shù)據(jù)類型的累加和乘法運(yùn)算，啟動時首先初始化xscale核，然后網(wǎng)絡(luò)處理引擎將從內(nèi)存下載各自的微代碼，以完成外圍網(wǎng)絡(luò)接口的鏈路層協(xié)議處理，它們的執(zhí)行是完全并行于xscale內(nèi)核的，通過內(nèi)嵌的消息隊列與xscale核同步，先進(jìn)高速總線（ahb）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)處理引擎和xscale核之間的數(shù)據(jù)交換，其傳輸速率達(dá)到133.32mhz×32bit，完全能夠滿足高速網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸要求。

dsp軟件模塊

intel公司為ixp4xx系列處理器專門開發(fā)了dsp軟件包，根據(jù)實現(xiàn)的不同功能，運(yùn)行時的dsp模塊可分為幾個部分，包括網(wǎng)絡(luò)端點、編碼器、解碼器、音頻生成器、音頻檢測器、語音播放器、混音器和t.38。如果系統(tǒng)有四路電話，則每一路電話應(yīng)該分配一個網(wǎng)絡(luò)端點，一個音頻生成器，一個音頻檢測器，網(wǎng)絡(luò)端點代表每一路電話所需的tdm前端處理功能，用以實現(xiàn)tdm數(shù)據(jù)的收發(fā)、發(fā)送增益控制和回波消除，而音頻生成器、音頻檢測器分別實現(xiàn)每一路電話的提示音及dtmf音頻檢測功能，另外，各路電話分享一個編碼器和一個解碼器，語音分流器負(fù)責(zé)控制網(wǎng)絡(luò)端點和編解碼器之間的數(shù)據(jù)流，語音播放器和混音器可多路共用，也可各路單獨占用一個，具體個數(shù)由應(yīng)用需求決定。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)由用戶線接口、以太網(wǎng)接口、處理器和通信控制總線組成，如圖1所示。

處理器即ixp421，它是設(shè)備運(yùn)行的嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序的載體，主要功能是：在通話過程中充當(dāng)語音數(shù)字處理并分發(fā)語音包給特定的終端，在呼叫建立過程中處理網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；初始化并控制各部分硬件模塊協(xié)同工作，提供用戶管理界面，內(nèi)存芯片容量為64mb，通過pc133內(nèi)存總線連接ixp421的內(nèi)存控制器。16mb的intel strata flash芯片通過擴(kuò)展總線連接ixp421，時鐘電路微處理器提供頻率為33.33mhz參照時鐘，處理器內(nèi)核及其集成外圍電路的時鐘均由此分頻得到，復(fù)位電路微處理器提供上電復(fù)位功能，即在系統(tǒng)加電并穩(wěn)定后復(fù)位引腳，保持至少500ms的低電平。

用戶線接口，以silicon laboratroies公司的si3210型接口芯片為核心，為用戶提供模擬電話連接口功能，這些功能包括：用戶線直流饋電，摘掛機(jī)狀態(tài)檢測，dtmf檢測、振鈴、回鈴音及各種提示音、音頻采樣及d/a、a/d轉(zhuǎn)換，以及pcm數(shù)據(jù)收發(fā)等。

以太網(wǎng)接口，采用intel的以太網(wǎng)接口芯片lxt972，其主要功能有：10baset/100base－tx自適應(yīng)、自動網(wǎng)絡(luò)協(xié)商、沖突檢測、鏈路狀態(tài)告警，通過mii總線接口，配合ixp421的以太網(wǎng)處理引擎（npe），實現(xiàn)鏈路層功能，承載tcp/ip協(xié)議及其他應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

串口，為用戶提供基于串口的管理及調(diào)試功能。ixp421有兩組串行輸入、輸出接口，分別為uart0和uart1，其中uart0是高速串行通信端口，支持的通信波特率最高達(dá)921.6kbps。uart1為console串行通信口，支持的波特率范圍為1200bps－231kbps。

系統(tǒng)中較為重要的外部總線的作用如下：

1.hss（high speed serial）總線，連接處理器的wan/語音npe和用戶線接口芯片（slic），有時鐘、幀同步、輸入、輸出4條線，支持同步串行傳輸，可配置時鐘頻率范圍為512khz－8.192mhz，本文應(yīng)用作為pcm語音信號的傳輸總線，時鐘為2mhz。即總共支持32個時隙，4路slic芯片各占一個時隙進(jìn)行通信，ixp421的一個專用協(xié)處理器（voice npe）負(fù)責(zé)hss端口的總線數(shù)據(jù)收發(fā)。

2、mii（media independent interface）總線，連接處理器的以太網(wǎng)npe和以太網(wǎng)phy接口芯片lxt972，分為mii數(shù)據(jù)總線和mii管理信息總線，ixp421的網(wǎng)絡(luò)處理引擎（npea）通過mii收發(fā)數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)處理引擎獨立于主pcu內(nèi)核工作，采用硬件多線程機(jī)制，使數(shù)據(jù)收發(fā)不占用主處理器時間，npea運(yùn)行的微程序可提供對以太網(wǎng)phy設(shè)備的簡單控制功能。

3、控制用戶線接口芯片的串行外圍接口spi（serial peripheral interface）以菊花鏈形式串接，有輸入、輸出、時鐘、片選4根線、占用處理器的4個gpio引腳。以串行8位命令方式讀寫slic的內(nèi)部寄存器，可以看作slic的控制總線。

性能測試

測試方法

兩路電話同時通話。對端電話保持有說話聲（本地解碼器保持一定的繁忙程度），用測試機(jī)一直ping被測設(shè)備的以太網(wǎng)地址，并運(yùn)行etherreal工具軟件，抓取被測設(shè)備發(fā)送到對端的rtp包，計算出rtp包的時間間隔及抖動的統(tǒng)計值，同時觀察通話語音質(zhì)量，本設(shè)備和對端設(shè)備每隔5秒發(fā)送rtcp協(xié)議的發(fā)送者報告，分段丟包率是在發(fā)送者報告中給出的統(tǒng)計值。

測試說明

空閑時（未建立通話），被測設(shè)備處理器占用率為20％；

通話時打開回波消除，延遲環(huán)節(jié)設(shè)定為1ms延時；

關(guān)閉靜音壓縮；

對端voip設(shè)備采用獨立的dsp芯片（mindspeed：m82510－14）；

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為100base－tx以太網(wǎng)，傳輸延遲小于1ms。

測試結(jié)果

時間間隔、抖動及分段丟包率

分析：表1的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，每種編碼的語音包到達(dá)對端的時間，都比規(guī)定的時間要提前零點幾個毫秒，這應(yīng)該是本設(shè)備的dsp處理程序為對端的dsp提前預(yù)留了處理時間，產(chǎn)生抖動可能是受被側(cè)設(shè)備系統(tǒng)任務(wù)切換時間影響。因為對端設(shè)備也在向本端發(fā)送rtp包，這就需要本設(shè)備的以太網(wǎng)任務(wù)、ip協(xié)議棧和dsp任務(wù)來處理，所以，語音接收和發(fā)送過程爭搶cpu時間，從而造成小的抖動，而以太網(wǎng)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)過程所造成的抖動應(yīng)該可以忽略。

結(jié)論：由時間間隔和丟包率可見，被測設(shè)備沒有因為忙而產(chǎn)生延遲或丟包現(xiàn)象，在測試條件下處理器能力仍有富余，抖動是在設(shè)備允許的范圍內(nèi)。

語音質(zhì)量

分析：如表2所示，測試中g(shù)723.1編碼的語音效果有些問題，即對端聽本端的聲音效果很好，這可能是因為intel的sp模塊與mindspeed的dsp芯片的某個編解碼參數(shù)不同，畢竟其他編碼方式?jīng)]有這一問題，所以g723.1的語音質(zhì)量給了低分。

結(jié)論：除g.723.1編碼語音質(zhì)量不理想外，其他幾種常用的編碼效果良好。