基于ARM7內(nèi)核的IP電話的設(shè)計與應(yīng)用

傳統(tǒng)的電話網(wǎng)是以電路交換的方式傳輸語音信號的，它需要的基本帶寬為64Kb/s。據(jù)統(tǒng)計，在正常的通話情況下，大約只有40％的時間為有聲期，其余時間電路均為空占，網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率不高。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，基于分組交換的數(shù)據(jù)通信成為最重要的通信方式。而要在基于IP的分組網(wǎng)絡(luò)上傳輸語音，就必須對模擬的語音信號進行特殊的處理，使處理后的信號可以適合在面向無連接的分組網(wǎng)絡(luò)上傳輸，這就是分組語音技術(shù)。本文介紹的就是一種基于ARM7內(nèi)核的IP電話設(shè)計。

G.728編碼標準

語音編碼技術(shù)是IP電話的核心技術(shù)之一，編碼質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到IP電話的通信質(zhì)量。

G.728標準的語音編碼算法是16Kb/s的聲碼器編碼標準，采用低時延碼本激勵線性預(yù)測（LD-CELP）技術(shù)。線性預(yù)測器使用的是反饋型后向自適應(yīng)技術(shù)，預(yù)測器系數(shù)是根據(jù)上一幀的語音量化數(shù)據(jù)進行更新的，因此算法時延較短，為0.625ms，相當于5個采樣點時間，這也是G.728的幀長時間。由于使用反饋型自適應(yīng)技術(shù)，因此預(yù)測器系數(shù)無須傳送，唯一需要傳送的是激勵信號量化值，也就是碼本索引值。G.728標準的語音編碼算法的碼本總共有1024個矢量，索引需占10比特，因此其比特率為10/0.625=16Kb/s。

G.728標準的語音編碼的主要特點有：算法時延短，僅為0.625ms；一路編碼時延小于2ms；傳輸比特率為16Kb/s；MOS值為4.173，達到了長途通信質(zhì)量。

由于G.728標準的語音編碼算法的時延短，語音傳輸比特率可以滿足IP電話的應(yīng)用要求，所以選用G.728標準的語音編碼算法作為IP電話的編碼算法。

硬件系統(tǒng)設(shè)計

TMS470R1A256屬于TI TMS470R1x通用16/32位精簡指令微控制器系列。該系列采用高速的ARM7內(nèi)核，從而保證了其高性能、高吞吐量和編碼空間效率。

系統(tǒng)的主要作用是充分利用ARM7內(nèi)核高速的數(shù)據(jù)處理能力，以減輕計算機CPU的負擔；語音的錄入和輸出系統(tǒng)也單獨分離出來，這樣可以更好的和MCU進行數(shù)據(jù)傳輸，減少不必要的中間環(huán)節(jié)，減少時延。最后，通過高速的PCI總線，將數(shù)據(jù)傳送給計算機。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，各模塊的具體功能如表1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1 MCU與Flash的通信

由于TMS470R1A256的I/O接口電壓為3.3V，而AM29F101B的接口電壓為5V，所以在接口部分需要進行電壓轉(zhuǎn)換，并且AM29F101B的片選信號（CE）和輸出使能信號（OE）需要地址譯碼。這些工作均由一片復(fù)雜的可編程邏輯器件（CPLD）來完成。

由于AM29F101B的接口速度較慢，所以TMS470R1A256和AM29F101B之間的接口必須插入軟件等待狀態(tài)，具體要插入的軟件等待狀態(tài)數(shù)目可以由數(shù)據(jù)手冊計算得到或在調(diào)機時由試驗得到。TMS470R1A256與AM29F101B之間的接口電路如圖2所示。

圖2 MCU與Flash的接口電路

2 MCU與ADC、DAC之間的通信

本系統(tǒng)所選用的G.728標準的語音編碼算法需要8kHz的采樣速率。所以對ADC和DAC要求最高采樣率或轉(zhuǎn)換時間不低于8kHz。

根據(jù)語音信號的特點，選用TI的TLC32044芯片，這是一片集成了ADC和DAC功能的芯片。它的最高轉(zhuǎn)化速率為19.2kHz，轉(zhuǎn)換位數(shù)為14位，輸入電壓帶范圍可調(diào)，有標準同步串口，還有輸入濾波器和輸出重構(gòu)濾波器，這樣可以省去模擬濾波器的設(shè)計。TMS470R1A256與TLC32044的接口電路如圖3所示。

圖3 MCU與ADC、DAC的接口電路

3 MCU與雙端口RAM之間的通信

為了體現(xiàn)PCI總線速度快的優(yōu)點，選用速度較快的雙端口RAM芯片CY7C133-25，其最大傳輸速率為25ns。雙端口RAM在MCU的數(shù)據(jù)空間的地址映射為8000H～87FFH。

需要強調(diào)的是雙端口RAM的BUSY信號。本設(shè)計并不使用這個信號，因為分別對雙端口RAM的不同部分進行操作，所以避免了可能發(fā)生的任何沖突，因此省去了BUSY信號，該信號懸空。

電路的電壓轉(zhuǎn)換和地址譯碼同樣由CPLD來完成。MCU與雙端口RAM的接口電路如圖4所示。

圖4 MCU與雙端口RAM的接口電路

4 PCI9052與雙端口RAM之間的通信

MCU的任務(wù)是完成語音的編碼和解碼，然后再通過PCI總線與計算機進行數(shù)據(jù)交換。MCU與PCI9052之間用一片雙端口RAM（容量為2k×16bit）進行數(shù)據(jù)交換。

由于PCI9052具有5個局部地址空間和4個局部設(shè)備片選信號，所以連線變得相當?shù)暮唵?，只需要將雙端口RAM映射到其中一個局部地址空間，然后使用其中的一個片選信號連接到雙端口RAM的CE，最后將PCI9052的讀寫信號（R/W）和OE對應(yīng)連接到雙端口RAM的R/W和OE。這樣就省去了地址譯碼等外圍邏輯電路。

軟件系統(tǒng)設(shè)計

IP電話系統(tǒng)要實現(xiàn)的算法就是語音編碼算法，還要完成與計算機的數(shù)據(jù)交換。

軟件部分的主要作用是用嵌入式操作系統(tǒng)中的TCP/IP協(xié)議對需要傳送的語音編碼信號進行打包，再通過計算機上的網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)通過Internet傳送到接收方，并把接收到的TCP/IP包還原為原來的語音編碼信號，最后通過PCI總線傳輸給MCU進行語音解碼。

結(jié)束語

本設(shè)計方案的主要優(yōu)點是對計算機硬件的要求不高，處理速度快，語音的輸入輸出系統(tǒng)單獨集成，且信噪比高。