FPGA推動語音數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的綜合

過去幾年里，通過Internet人們之間的數(shù)據(jù)交換變得非常頻繁。僅去年全世界的電子郵件數(shù)量就達到6.9萬億之多。通過同一主干網(wǎng)絡(luò)進行語音傳輸?shù)膭恿υ絹碓酱?。本文概述了語音數(shù)據(jù)綜合技術(shù)，以及FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)在推動語音數(shù)據(jù)綜合的作用。

語音數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)綜合是指通過同一網(wǎng)絡(luò)同時傳輸數(shù)據(jù)、語音和視頻的能力。VoIP語音傳輸，也稱為IP電話，就是采用Internet協(xié)議分組的形式進行語音傳輸。

目前的語音電話基于電路交換基礎(chǔ)設(shè)施，采用PSTN網(wǎng)絡(luò)（公共交換電話網(wǎng)絡(luò)）。呼叫建立后，在整個呼叫持續(xù)時間內(nèi)，PSTN系統(tǒng)為其保留一個64Kbps帶寬的固定端到端信道。一個語音呼叫通常不會占用整個信道帶寬。

在VoIP網(wǎng)絡(luò)中，語音的分組是實時進行的。VoIP還大大降低了需要的帶寬，因為可以同時傳輸多個分組。配合采用SSS7及TCP/IP網(wǎng)絡(luò)來完成呼叫的建立和釋放，同時還采用了地址解析協(xié)議（ARP）。語音IP分組的傳輸過程過程是這樣的：

* 步驟1： 將模擬語音信號轉(zhuǎn)換成線性脈碼調(diào)制(PCM)數(shù)字位流(每125ms 16位）;

* 步驟2： 從PCM位流中去除線路回聲，并通過分析進行靜音壓縮和音調(diào)檢測；

* 步驟3：將 最終的PCM樣本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成語音幀，再通過語音編碼器進行壓縮。G.729a采用10字節(jié)語音數(shù)據(jù)表示10ms的語音。它可將128kbps的線性PCM位流壓縮為8kbps；

* 步驟4： 語音幀集成到語音分組中。首先，生成一個具有12字節(jié)標頭的RTP分組。然后再加下一個包含源及目標地址的8字節(jié)UDP分組。最后，再加上包含源及目標IP地址的20字節(jié)IP標頭；

* 步驟5： 分組通過Internet傳輸，路由器和交換機檢查目標地址并將分組傳送到目標地址。IP路由可能會越過不同的網(wǎng)絡(luò)并通過許多節(jié)點；

* 步驟6： 當目標接收到分組后，分組經(jīng)過相反的過程實現(xiàn)語音的回放。

IP分組是按順序編號后傳送到目標地址的。接收端必須按正確的次序?qū)⒎纸M重組（當分組到達次序變化時）以產(chǎn)生語音。IP地址和電話號碼也必須正確地進行映像。

1998年的VoIP設(shè)備銷售達6100萬美元，預(yù)計到2003年時將超過38億美元。VoIP市場也將從2000年時的77億分鐘，發(fā)展到2005年時的5000億分鐘。還預(yù)測VoIP網(wǎng)關(guān)設(shè)備的市場將從2000年的12億美元增長到2005年的100億美元。

* IP傳真（Fax over IP ，FoIP）采用VoIP類似的技術(shù)提供傳真服務(wù)；

* DSL語音(Voice over DSL， VoDSL)通過DSL網(wǎng)絡(luò)進行VoIP傳輸。VoIP網(wǎng)關(guān)將VoIP業(yè)務(wù)連接到一個5類語音交換網(wǎng)絡(luò)和PSTN網(wǎng)絡(luò)；

*有線電視電纜語音傳輸（Voice over Cable，VoCable）采用有線電視電纜基礎(chǔ)設(shè)施提供Internet和語音傳輸服務(wù)。

為了實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的綜合，需要克服幾個障礙。如要在一個網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)有效地滿足本質(zhì)上不同的兩類業(yè)務(wù)傳輸?shù)囊蟆ＵZ音和視頻(多媒體)流需要恒定的帶寬，并且對網(wǎng)絡(luò)的延遲很敏感。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則是猝發(fā)式的，對網(wǎng)絡(luò)的延遲相對不那么敏感。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的無連接本質(zhì)意味著：不同的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是在實時的基礎(chǔ)上競爭帶寬的。

雖然專用分機交換(PBX)設(shè)備基于專用設(shè)計，IP電話產(chǎn)品則完全基于Internet協(xié)議，而且是一個基于開放標準的不斷演化的技術(shù)。設(shè)計人員需要遵守標準，因此為產(chǎn)品的驗證和測試帶來很大的工作量。

VoIP產(chǎn)品的語音質(zhì)量還必須能夠與電路交換系統(tǒng)的質(zhì)量相比。影響語音質(zhì)量的因素包括線路噪聲、回聲、采用的語音編碼及網(wǎng)絡(luò)延遲。此外還需要在IP分組交換網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上提供與電路交換網(wǎng)絡(luò)相似的特性，如呼叫等待、免費號碼、信用卡付費、來電ID顯示以及三方呼叫等。

綜合網(wǎng)絡(luò)要進行語音和視頻的傳輸必須支持服務(wù)質(zhì)量(QoS)。QoS是指網(wǎng)絡(luò)向用戶提供可保證的服務(wù)水平的能力。服務(wù)水平通常包括諸如最小帶寬、最大延遲以及抖動(延遲的變化)等的參數(shù)。

語音處理功能包括下述內(nèi)容：

* PCM 接口 處理PCM數(shù)據(jù)，功能包括壓縮擴展及再取樣等。這一模塊還包括雙音頻產(chǎn)生器，負責產(chǎn)生雙音多頻信號和呼叫過程所需要的音頻信號;

*回聲抑制單元根據(jù)ITU G.165 或 G.168標準對全雙工的語音端口信號進行回聲抑制;

* 語音活動檢測器在靜默時，沒有語音信號的情況下，限制分組數(shù)據(jù)的傳送;

* 音頻檢測器檢測接收到的雙音多頻信號，并分辨語音和傳真信號;

* 語音編碼單元對語音數(shù)據(jù)壓縮以后傳輸。在VoIP應(yīng)用中有幾種不同的編碼解碼方法可用來進行語音數(shù)據(jù)流的壓縮。表1比較了不同的ITU編碼解碼方法。MOS（平均主觀分數(shù)）是通過主觀的評價過程就聲音質(zhì)量所打出的平均分數(shù);

* 語音播放使接收到的分組緩沖，并將之輸入到語音編碼解碼電路中解碼進行回放;

* 分組語音協(xié)議 使壓縮后的語音數(shù)據(jù)封裝,以便通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。

VoIP網(wǎng)關(guān)支持上百條線路，但預(yù)見到VoIP將從試驗階段進入成熟采用階段，系統(tǒng)供應(yīng)商正致力于將密度提高到上千的范圍。

由于處理這么多信道需要十分強大的處理能力，因此構(gòu)造高容量系統(tǒng)的工作充滿了挑戰(zhàn)。現(xiàn)在在此類系統(tǒng)中采用了高性能DSP陣列，同時采用H.110 CT總線在線路接口卡和PSTN系統(tǒng)間傳輸PCM語音流。此外，還包括DS1、DS3或ATM端口及一般運行SS7信令軟件的一個管理處理器。因此一塊語音處理卡包括DSP、存儲器、微處理器（完成控制、信令和數(shù)據(jù)處理功能）、H.110兼容總線接口和10/100以太網(wǎng)接口。所以需要相當數(shù)量的復(fù)雜連接邏輯，包括PCI橋、存儲器控制器和數(shù)據(jù)通道FIFO。FPGA在網(wǎng)關(guān)中可用作：

*系統(tǒng)級連接邏輯 實現(xiàn)專用的PCI主機橋、DSP與處理器接口邏輯、存儲器控制器、數(shù)據(jù)路徑開關(guān)和FIFO功能；

*回聲消除 在實現(xiàn)高性能FIR濾波器和相關(guān)器之類的功能時，F(xiàn)PGA比DSP更有效；

*語音編碼 采用FPGA實現(xiàn)ADPCM核心，可以處理八個完全雙工的數(shù)據(jù)流，并支持G.721、 G.723、 G.726、 G.726a、 G.727及G.727a 的ITU標準。

IP電話連接到一個局域網(wǎng)（LAN)而不是傳統(tǒng)的電話插座。實際上IP電話是具有內(nèi)置VoIP網(wǎng)關(guān)和局域網(wǎng)接口電路的電話。此類系統(tǒng)中處理功能通常分為一個DSP處理器作語音處理，和一個RISC處理器完成的信令、系統(tǒng)管理和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理。

圖1示意一個典型的IP電話結(jié)構(gòu)。包括一個語音編碼解碼器(完成A/D和D/A）、用戶接口邏輯（按鍵盤、狀態(tài)顯示及振鈴信號的音頻指示器）以及可選數(shù)據(jù)（串行）端口(完成如PDA同步等功能）。可編程邏輯解決方案可為產(chǎn)品帶來自己的特色以及與多種技術(shù)的接口。

* 系統(tǒng)和用戶接口邏輯： PCI、 RS-232串行端口和其它連接邏輯功能；

* 局域網(wǎng)(LAN）、 家庭網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)接口：IEEE802.3、 HomePNA、IEEE802.11、 HiperLAN2、HomeRF等；

* DSP、語音編碼解碼器。

FPGA可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)處理器與交換結(jié)構(gòu)接口所需要的復(fù)雜功能，或者實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施接口所需要的其它ASSP功能。FPGA還可以用作網(wǎng)絡(luò)處理器的專用協(xié)處理器。在此類應(yīng)用中，F(xiàn)PGA用來加速復(fù)雜的幀處理算法，如：業(yè)務(wù)分類、業(yè)務(wù)調(diào)度和定形、復(fù)雜的策略、以及隊列管理。

Internet電話已成長起來，并成為目前主流通信手段的一部分。雖然技術(shù)比較復(fù)雜，但它卻為消費者和企業(yè)節(jié)約了成本和帶寬。FPGA為開發(fā)和構(gòu)建VoIP網(wǎng)關(guān)和解決方案的系統(tǒng)設(shè)計人員提供了一個低風險、低成本的方式。因此，F(xiàn)PGA可推動數(shù)據(jù)和語音業(yè)務(wù)的綜合的發(fā)展。■