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VoIP語音網(wǎng)關(guān)中TDM控制模塊的設(shè)計(jì)
VoIP語音網(wǎng)關(guān)中TDM控制模塊的設(shè)計(jì)  
Post By:2008-8-20 16:37:00


TDM控制模塊是VoIP網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要部分,是連接來自PSTN(Public Switched TelephoneNetwork)串行的TDM數(shù)據(jù)格式和并行的Wishbone數(shù)據(jù)格式的橋梁,實(shí)現(xiàn)兩邊數(shù)據(jù)跨時(shí)鐘域無丟失的轉(zhuǎn)換。為滿足高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的要求,采用了Wishbone總線,將多個(gè)IP核集成為VoIP網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。
  Wishbone最先是由Silicore公司提出,現(xiàn)在已被移交給OpenCores組織維護(hù)。Wishbone總線規(guī)范是一種片上系統(tǒng)IP核互連體系結(jié)構(gòu),定義了一種IP核之間共公的邏輯接口,可用于軟核、固核和硬核,對開發(fā)工具和目標(biāo)硬件沒有特殊要求,并且?guī)缀跫嫒菀延兴械木C合工具,可以用多種硬件描述語言來實(shí)現(xiàn)。
  TDM控制模塊的設(shè)計(jì)
  ● TDM在VoIP語音網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中的作用
  TDM控制模塊同時(shí)接收來自ISDN(綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng))、E1專線或者語音編碼器等不同信源的串行語音數(shù)據(jù)。如圖1,VoIP語音網(wǎng)關(guān)的基本功能是完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與外部語音設(shè)備數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,TDM接口與以太網(wǎng)接口分別為外部語音設(shè)備的數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)上數(shù)據(jù)與網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的通信橋梁。該網(wǎng)關(guān)SoC系統(tǒng)的處理器采用的是同濟(jì)大學(xué)微電子中心自主沿發(fā)的高性能低功耗的32位嵌入式CPU BC320。






   


    圖1 TDM控制模塊的作用
 
  ● 時(shí)分復(fù)用原理與TDM數(shù)據(jù)頻率
  時(shí)分復(fù)用是把對信道的使用時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)間幀,進(jìn)一步把時(shí)間幀劃分為n個(gè)時(shí)間隙(時(shí)間間隔)。每一個(gè)時(shí)間隙分配給一個(gè)子信道,從而實(shí)現(xiàn)在一個(gè)信道上同時(shí)傳輸多路信號。時(shí)分復(fù)用循環(huán)使用時(shí)間幀,各路信號循環(huán)順序插入時(shí)間幀中的時(shí)間隙傳輸。TDM控制模塊的主要作用就是復(fù)用多路信號與解復(fù)用混合有多路信號的 TDM數(shù)據(jù),如圖2所示。

   


    圖2 時(shí)分復(fù)用的時(shí)隙
  本設(shè)計(jì)的串行語音數(shù)據(jù)針對E1專線標(biāo)準(zhǔn),E1主要應(yīng)用于歐洲,中國也采用該標(biāo)準(zhǔn)。E1標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)率為2.048Mb/s,每一個(gè)時(shí)間幀包括30個(gè)B子信道,一個(gè)D子信道和一個(gè)同步子信道,共32個(gè)子信道。以語音模擬信道為例,信道帶寬限制為3.4kHz,根據(jù)奈圭斯特定律,子信道采樣速率至少是信號最高頻率的兩倍,通常選擇采樣速率為8kHz。因此,整個(gè)TDM信道的比特速率可以達(dá)到:
   8kb/s×8×32=2048kb/s=2.048 Mb/s,即E1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的TDM數(shù)據(jù)率。
  ● 模塊設(shè)計(jì)
  模塊的主要功能是完成多路數(shù)據(jù)的復(fù)用和復(fù)用數(shù)據(jù)的分解,其關(guān)鍵部分就是復(fù)用和分解。本設(shè)計(jì)采用緩存器輔助完成復(fù)用和分解,實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議數(shù)據(jù)跨時(shí)鐘域的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)模塊主要分三部分,見圖3。

   
[NextPage]

    圖3 TDM接口控制模塊的基本結(jié)構(gòu)
  串行數(shù)據(jù)接口主要負(fù)責(zé)串行數(shù)據(jù)與8位寬并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,因?yàn)榇娣艛?shù)據(jù)的FIFO是以8bit為一地址空間的。轉(zhuǎn)換由設(shè)計(jì)的狀態(tài)機(jī)來控制:接收 (receive)操作、發(fā)送(transmit)操作和等待,接收就是將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8bit位寬數(shù)據(jù)的過程,發(fā)送與之相反。由于語音數(shù)據(jù)要求雙工機(jī)制,由時(shí)鐘高低電平來作為發(fā)送和接收狀態(tài)的切換信號,即當(dāng)時(shí)鐘為低時(shí)由發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài),當(dāng)時(shí)鐘為高時(shí),由接收狀態(tài)切換為發(fā)送狀態(tài),這樣可以看作接收與發(fā)送是同時(shí)進(jìn)行的。
  發(fā)送、接收緩存器不僅包括用于暫時(shí)存儲數(shù)據(jù)的FIFO,而且還設(shè)計(jì)有狀態(tài)機(jī)來控制接收、發(fā)送數(shù)據(jù)流。由于跨時(shí)鐘域,由雙口RAM組成的FIFO可能會帶來地址比較沖突的問題,本設(shè)計(jì)采用乒乓機(jī)制來完成FIFO,當(dāng)一個(gè)緩存器進(jìn)行讀操作時(shí),另一個(gè)緩存器則進(jìn)行寫操作,兩者的切換由硬件來完成。以下以接收緩存器為例(數(shù)據(jù)方向從TDM串行數(shù)據(jù)到Wishbone總線并行數(shù)據(jù))來描述本設(shè)計(jì)。緩存器的大小設(shè)計(jì)為包含四幀TDM數(shù)據(jù),因此每個(gè)FIFO的大小為 8bit×32×4=1024bit,如圖4。選用乒乓FIFO以及FIFO大小設(shè)計(jì)的原因如下。

   


    圖4 乒乓FIFO
  串行數(shù)據(jù)的時(shí)鐘相對于Wishbone總線的時(shí)鐘要慢,當(dāng)兩時(shí)鐘域上的數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換時(shí),Wishbone總線可以在很短時(shí)間內(nèi)讀寫FIFO,而串行總線需要相對較長的時(shí)間讀寫相同數(shù)據(jù)量。盡管如此,在Wishbone總線時(shí)鐘頻率相對較慢時(shí),Wishbone總線很可能在下一批串行數(shù)據(jù)寫進(jìn)FIFO前不能完全讀空FIFO。以接收緩存器為例,如果不考慮處理器(BC320)中斷響應(yīng)時(shí)間和從RAM讀數(shù)據(jù)的時(shí)間(待處理的數(shù)據(jù)都要先暫存在Wishbone 總線上掛的RAM中),從Wishbone總線讀空一個(gè)FIFO中的四幀數(shù)據(jù)需要時(shí)間為:
  1/25M x 32 x 4 = 5.12 x 10-6 s= 5.12us
  25M是本設(shè)計(jì)在FPGA開發(fā)板進(jìn)行測試時(shí)所采用的時(shí)鐘頻率,即測試系統(tǒng)時(shí)Wishbone總線上的時(shí)鐘頻率。
  而在另一邊串行數(shù)據(jù),當(dāng)四幀寫滿FIFO后,第五幀的第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)開始寫入FIFO的準(zhǔn)備時(shí)間為:
   1/24M x 8 = 4 x 10-6?s = 4us
  FIFO中的四幀數(shù)據(jù)被讀空時(shí)間大于第五幀的第一個(gè)字節(jié)寫入FIFO的準(zhǔn)備時(shí)間,F(xiàn)IFO的寫滿與讀空都是有硬件產(chǎn)生信號標(biāo)識,此時(shí)FIFO讀空信號標(biāo)識未產(chǎn)生,不能對同一FIFO進(jìn)行寫操作,導(dǎo)致待寫數(shù)據(jù)丟失。因此選用兩個(gè)FIFO采用乒乓機(jī)制來切換讀寫操作,如圖4所示。
  在解復(fù)用時(shí),數(shù)據(jù)的地址恢復(fù)很重要,一個(gè)TDM數(shù)據(jù)幀含有32個(gè)時(shí)隙,每一時(shí)隙中的數(shù)據(jù)均來自不同的信道源,本模塊要將復(fù)用在一路的TDM數(shù)據(jù)恢復(fù)出32 路。TDM數(shù)據(jù)的每個(gè)時(shí)隙含8個(gè)bit,而Wishbone總線的數(shù)據(jù)位寬是32位,因此需要四幀的TDM數(shù)據(jù)才能拼接成一路完整32位寬數(shù)據(jù)。相鄰時(shí)隙數(shù)據(jù)由于來自不同信道源,暫存在FIFO中的地址不能相鄰,前一時(shí)隙中數(shù)據(jù)和后一時(shí)隙中數(shù)據(jù)在地址空間上相差4(如圖4),這樣從初始地址開始,每相鄰四個(gè)地址對應(yīng)的數(shù)據(jù)拼接成一路完整的信號,在Wish bone總線讀取FIFO中數(shù)據(jù)時(shí)的地址是按順序的。
  本文著重討論了接收緩存器的設(shè)計(jì),發(fā)送緩存器與之類似,這里就不再贅述。
  Wishbone接口連接TDM控制模塊與Wishbone總線,它的主要功能是設(shè)計(jì)正確的狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生有效控制信號來同步數(shù)據(jù)交換。
  驗(yàn)證與結(jié)論
  用Verilog語言描述完成TDM控制模塊的設(shè)計(jì),并以VoIP語音網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)為驗(yàn)證平臺,利用Candence公司的NC-verilog仿真器進(jìn)行代碼仿真。仿真波形表明,處理器(BC320)對FIFO寫滿產(chǎn)生信號標(biāo)識的反應(yīng)時(shí)間大約為60個(gè)Wishbone總線時(shí)鐘周期,這一時(shí)間加上 Wishbone總線讀空第一個(gè)FIFO所用時(shí)間后,串行語音數(shù)據(jù)仍在寫進(jìn)另一個(gè)FIFO,Wishbone總線有足夠的空閑等待這個(gè)FIFO寫滿標(biāo)示信號的產(chǎn)生,不會有任何數(shù)據(jù)丟失。
  VoIP語音網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)在型號為Virtex-II Pro FF1152的FPGA開發(fā)板上進(jìn)行了硬件驗(yàn)證,TDM控制模塊外接型號為Le88221的SLIC(用戶線接口電路)芯片作為語音信源,利用 Chipscope在線掃描TDM控制模塊內(nèi)部、Wishbone總線和處理器(BC320)寄存器的信號變化,并用示波器對SLIC芯片信號進(jìn)行捕捉。從觀察的信號來看,所設(shè)計(jì)的TDM控制模塊能夠與系統(tǒng)的其他IP模塊,尤其是處理器(BC320)和以太網(wǎng)模塊正確有效地協(xié)同工作,模塊的功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

 
 一種基于嵌入式技術(shù)的VoIP網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)  
Post By:2008-8-20 16:32:00


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(jià)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(jià)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(jì)算機(jī)可聯(lián)入因特網(wǎng)傳送的IP數(shù)據(jù)包,同時(shí)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(gè)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(shí), VoIP線路數(shù)是原來的5~8倍。同時(shí),IP技術(shù)允許多個(gè)用戶共用同一帶寬資源,改變了傳統(tǒng)電話由單個(gè)用戶獨(dú)占一個(gè)信道的方式,節(jié)省了用戶使用單獨(dú)信道的費(fèi)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)。


以下內(nèi)容只有回復(fù)后才可以瀏覽

 

基于嵌入式技術(shù)的VoIP功能實(shí)現(xiàn)框圖

1、VoIP實(shí)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(gè)獨(dú)立的嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行語音通信時(shí),該系統(tǒng)實(shí)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(gè)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(dòng)目的用戶。

② 在嵌入式系統(tǒng)之間進(jìn)行語音通信時(shí),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(gè)嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)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(dòng)完成解壓縮,驅(qū)動(dòng)目的用戶的功能。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

硬件設(shè)計(jì)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。[NextPage]

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(diǎn):

⊙ 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(bǔ);

⊙ 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(shí)鐘、存儲器以及I/O和仿真測試接口(如圖2);

⊙ 144pin,TQFP封裝,1.8V內(nèi)核電壓,3.3V芯片電壓。



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(shí)現(xiàn)接口適配功能。主CPU可通過CPLD控制實(shí)現(xiàn)CODEC 和SLIC部分的功能。

5、HPI接口部分

本設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)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(gè)字節(jié)數(shù)據(jù),外部CPU以單個(gè)Word或塊數(shù)據(jù)訪問HPID。以塊數(shù)據(jù)方式訪問時(shí),HPIA寄存器自動(dòng)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(gè)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(gè)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(shí)鐘,而PCMFS提供8kHz的幀同步時(shí)鐘。PCM主時(shí)鐘(BCLK)、幀同步時(shí)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(gè)時(shí)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(shí)序以及時(shí)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(shí)鐘下降沿采樣PCMIN,上升沿發(fā)送PCMOUT。


[NextPage]

軟件設(shè)計(jì)部分

該系統(tǒng)軟件主要用于對AC4880XC-C進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)讀寫等操作。

1、編寫芯片AC4880XC-C的讀寫函數(shù)

主要是基于嵌入式ARM處理器,通過HPI接口實(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(shí)驗(yàn)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。

 
 
VoIP雙模網(wǎng)關(guān)的研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)  
Post By:2008-8-20 16:39:00


近年來隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)和IP技術(shù)的日益發(fā)展,VoIP(Volee over Internet Protoc01)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。網(wǎng)關(guān)是VoIP網(wǎng)絡(luò)中的重要設(shè)備,按照應(yīng)用領(lǐng)域可分為電信級網(wǎng)關(guān)和用戶端網(wǎng)關(guān)。用戶端網(wǎng)關(guān)設(shè)備主要應(yīng)用于小區(qū)和企業(yè),是連接終端電話和IP網(wǎng)絡(luò)的橋梁,主要功能是進(jìn)行語音編解碼、信令處理、VoIP協(xié)議處理和路由協(xié)議處理等。用戶端網(wǎng)關(guān)設(shè)備在VoIP網(wǎng)絡(luò)中的位置如圖1所示。可以看出,網(wǎng)關(guān)處于用戶電話線路部分的末端、IP網(wǎng)絡(luò)部分的起始端。


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    “雙模”是指VoIP和PSTN兩種模式。雙模網(wǎng)關(guān)是一種同時(shí)連接PSTN網(wǎng)絡(luò)和VoIP網(wǎng)絡(luò)并能在兩者之間自動(dòng)切換的用戶端網(wǎng)關(guān)設(shè)備。雙模網(wǎng)關(guān)可以使用 VoIP網(wǎng)絡(luò)節(jié)省大量通話成本,還可以在VoIP網(wǎng)絡(luò)不可用(斷電或路由不可達(dá))時(shí)使用PSTN網(wǎng)絡(luò)保障電話線路永遠(yuǎn)暢通,而且使用雙模網(wǎng)關(guān)不需要對 PBX交換機(jī)做任何改動(dòng),用戶還可以自由選擇或由網(wǎng)關(guān)自動(dòng)選擇使用VoIP網(wǎng)絡(luò)還是PSTN網(wǎng)絡(luò),具有很好的實(shí)用性和靈活性。

 

  1 VoIP雙模網(wǎng)關(guān)的工作原理

  網(wǎng)關(guān)在VoIP網(wǎng)絡(luò)中主要起協(xié)議轉(zhuǎn)換、控制及關(guān)守作用,如呼叫控制和呼叫管理等。雙模網(wǎng)關(guān)在普通VoIP網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)上增加了VoIP與PSTN之間的切換。雙模網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)從功能上可分為雙模切換模塊、FXS接口電路模塊、語音處理模塊和軟件控制模塊,其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

   



    外部交換站FXS(Fbreign eXchange Subscdber)接口和外部交換局FXO(Foreign eXchange Office)接口是VoIP網(wǎng)關(guān)中非常重要的兩個(gè)接口。在傳統(tǒng)的PSTN電話連接中,電話中心局端交換機(jī)提供饋電和鈴流,電話本身完成Tip/Ring 電路來請求服務(wù)或者應(yīng)答PSTN上的呼叫。在VoIP電話連接中,F(xiàn)XS電路仿真了電話中心局端交換機(jī)的功能,提供饋電和鈴流并檢測環(huán)路電流。而FXO電路相當(dāng)于仿真了電話機(jī)的功能,提供環(huán)路閉合和檢測鈴流。

  FXS接口電路直接與模擬話機(jī)連接,提供撥號音、饋電、鈴流電壓,并能夠檢測話機(jī)的摘掛機(jī)和環(huán)路閉合,完成模擬信號與數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換。FXS接口電路包括編解碼器CODEC和用戶線接口電路SLIC(Subscriber Line Interface Circuit)。CODEC包括一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。SLIC電路仿真了PSTN電壓,它必須能夠檢測電話的摘掛機(jī)并能產(chǎn)生最高達(dá)120V的鈴流電壓。

  雙模切換模塊主要包括FXO接口電路,它由CODEC和數(shù)據(jù)處理陣列DAA(Data Access Arrangement)組成。其中CODEC與FXS電路中的相同;DAA仿真了一部話機(jī),通過提供PSTN的環(huán)路閉合來去除高壓直流分量,只讓 PSTN線上的模擬交流信號通過。網(wǎng)關(guān)中使用FXO接口電路可實(shí)現(xiàn)以下功能:

  (1)斷電時(shí)線路保持暢通:當(dāng)網(wǎng)關(guān)斷電不能連接VoIP網(wǎng)絡(luò)時(shí),將線路切換到PSTN線路上。

  (2)呼叫重定向:當(dāng)VoIP網(wǎng)絡(luò)由于擁塞或者其他原因而不可用時(shí),能夠?qū)⒕€路切換到PSTN上,而且能記住已撥號碼并進(jìn)行自動(dòng)重?fù)堋?/p>

  (3)遠(yuǎn)端VoIP呼叫:VoIP用戶可以在其他地方通過PSTN撥入的方式進(jìn)行VoIP呼叫,F(xiàn)XO接口先把PSTN上的電話撥號音(模擬信號)接收下來,然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送出,相當(dāng)于將撥號音從一個(gè)FXO擴(kuò)展到多個(gè)本地FXS。

  網(wǎng)關(guān)的語音處理模塊負(fù)責(zé)對PCM數(shù)字語音信號進(jìn)行壓縮與解壓縮。壓縮算法的標(biāo)準(zhǔn)包括G.711、G.723.1和G.729等,不同的算法壓縮比不一樣,占用的帶寬也不同。壓縮算法可以用硬件DSP實(shí)現(xiàn),也可以用純軟件實(shí)現(xiàn)。

  軟件控制模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的協(xié)議棧處理和路由處理等功能。協(xié)議棧負(fù)責(zé)將壓縮后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行封裝,加上IP協(xié)議包頭,形成可在VoIP網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。目前VoIP的協(xié)議棧主要基于H.323和SIP兩種標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議棧將數(shù)據(jù)流打成IP數(shù)據(jù)包后,選擇適當(dāng)路由經(jīng)過以太網(wǎng)接口發(fā)送到VoIF網(wǎng)絡(luò)中。接收端網(wǎng)關(guān)接收到IP數(shù)據(jù)包后,將數(shù)據(jù)包解壓縮并將解壓縮后的PCM數(shù)字信號解碼,恢復(fù)原始語音信號。

  2 VoIP雙模網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  本節(jié)提出了一種基于H.323的雙模網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,該方案支持4路話音,使用一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的“假FXO接口”方式實(shí)現(xiàn)雙模切換,能夠在VoIP通話時(shí)檢測到PSTN線上進(jìn)來的呼叫并可通過按話機(jī)的拍簧或者Flash閃斷鍵切換接聽。

  為了有效利用資源,系統(tǒng)使用三相轉(zhuǎn)接頭將電話線路與PSTN線路組合到一個(gè)RJ11接口上,每路話路使用一個(gè)三相轉(zhuǎn)接頭。三相轉(zhuǎn)接頭的連接方式如圖3所示。



    三相轉(zhuǎn)接頭的使用可簡化雙模切換的實(shí)現(xiàn),也減少了設(shè)備的物理端口數(shù)量。

  系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用“硬件+ 嵌入式操作系統(tǒng)+應(yīng)用層軟件”的總體架構(gòu)。


  2.1 硬件設(shè)計(jì)方案

  系統(tǒng)的硬件部分主要包括雙模切換模塊、FXS接口電路、語音處理模塊電路、CPU模塊和以太網(wǎng)模塊,硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。





    雙模切換模塊使用了一種“假FXO接口”的方式。電路中用繼電器控制各話路本身的VoIP和PSTN通路之間的雙模切換。繼電器在網(wǎng)關(guān)沒有上電時(shí)默認(rèn)將網(wǎng)關(guān)置于把話機(jī)線與PSTN線對接的狀態(tài),上電工作后由1片F(xiàn)PGA可編程邏輯芯片來控制繼電器的切換。FPGA芯片是網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)智能切換的關(guān)鍵部件,其中實(shí)現(xiàn)的控制邏輯包括PSTN線路上的鈴流檢測、話機(jī)拍簧動(dòng)作檢測等邏輯,并據(jù)此控制繼電器進(jìn)行切換。FPGA與CPU的接口可實(shí)現(xiàn)在VoIP網(wǎng)絡(luò)路由不可達(dá)時(shí)切換到PSTN網(wǎng)絡(luò)的邏輯。雙模切換模塊實(shí)現(xiàn)了FXO接口的部分功能,但不是真正的FXO接口,所以稱之為“假FXO接口”。

  FXS接口電路模塊主要由SUC芯片和Codee芯片組成,分別選用Legerity公司的Le79R70芯片和Le58Q021芯片。Le58Q021 是4通道的Codec芯片,可以控制SLIC芯片(Le79R70)的工作狀態(tài),選擇編碼
方案(線性、a律、μ律),還支持軟件可編程SLIC的輸入阻抗、平衡阻抗和頻率響應(yīng)特性等。系統(tǒng)使用1片Le58Q021和4片Le79R70協(xié)同工作支持4路話音,向話機(jī)提供饋電,產(chǎn)生振鈴信號、檢測話機(jī)摘掛機(jī)等,并負(fù)責(zé)完成電話模擬信號與PCM數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)換。

  語音處理DSP芯片選用AudioCodes公司的AC483,它能同時(shí)支持4通道語音編解碼器,支持G.729A、G.723.1、G.727、G.726、G.711等壓縮算法標(biāo)準(zhǔn),可完成實(shí)時(shí)的語音壓縮、DTMF信號的檢測、產(chǎn)生和回音消除等工作。

  系統(tǒng)CPU芯片選用Samsung公司ARM7TDMI系列的S3C4510B,其工作頻率為50NHz,片內(nèi)集成了豐富的通用模塊,含有支持 10M/100M自適應(yīng)的以太網(wǎng)控制器,可以直接通過PHY芯片引出以太網(wǎng)接口。以太網(wǎng)PHY芯片選用Intel公司的LXT972A芯片,它具有 1OM/100M自適應(yīng)收發(fā)功能,支持全雙工操作。此外,系統(tǒng)還使用了2MB Flash、16MB SDRAM和512KB SRAM作為存儲器。

  2.2 軟件設(shè)計(jì)方案

  軟件部分主要由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用層軟件組成,完成協(xié)議棧處理、路由處理和其他控制功能,軟件方案層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。



    嵌入式操作系統(tǒng)采用μCLinux。μCLinux是一種針對無內(nèi)存管理單元的處理器定制的嵌入式操作系統(tǒng),具有豐富的網(wǎng)絡(luò)功能、源代碼公開、內(nèi)棱可剪裁和易于移植等特點(diǎn)。根據(jù)硬件平臺的特點(diǎn),還需要開發(fā)適應(yīng)硬件平臺的驅(qū)動(dòng)程序,包括Bootloader、串口驅(qū)動(dòng)和以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)。其中Boofloader 是移植uCLinux操作系統(tǒng)的關(guān)鍵,系統(tǒng)上電時(shí),Bootloader負(fù)責(zé)進(jìn)行硬件初始化、中斷的處理和硬件時(shí)鐘管理等工作,并加載操作系統(tǒng)映象到內(nèi)存。為方便系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)升級,Bootloader可實(shí)現(xiàn)TFTP網(wǎng)絡(luò)功能。串口和以太網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)程序相對比較簡單,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確收發(fā)即可。

  應(yīng)用層的軟件主要由H.323協(xié)議棧處理模塊、路由處理模塊和DSP控制模塊組成。H.323協(xié)議棧負(fù)責(zé)呼叫控制和信令、音頻處理和媒體實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)采用比較成熟的開放源代碼的OpenH323協(xié)議棧作為參考,應(yīng)用層上的功能模塊都是基于該協(xié)議棧開發(fā)的。路由尋址模塊主要負(fù)責(zé)路由尋址和路由管理,確定目的網(wǎng)關(guān)的IP地址,并選擇最佳路由將IP數(shù)據(jù)包經(jīng)過IP網(wǎng)絡(luò)傳送到目的網(wǎng)關(guān)。DSP控制模塊主要是在應(yīng)用程序中根據(jù)通話流程編寫相應(yīng)的控制程序控制 DSP芯片AC483的行為。網(wǎng)管模塊提供了Web網(wǎng)管和CLI命令行界面,很容易對雙模網(wǎng)關(guān)配置和維護(hù)。

  3 應(yīng)用方案

  系統(tǒng)作為用戶端網(wǎng)關(guān)設(shè)備,可廣泛應(yīng)用于小區(qū)和企業(yè)。對于用戶數(shù)量比較少的小區(qū),可以將話機(jī)直接與網(wǎng)關(guān)連接,如圖6所示。對于用戶量相對較多的企業(yè),可以與PBX交換機(jī)連接,如圖7所示。  



    該系統(tǒng)基于H.323協(xié)議棧設(shè)計(jì)。目前該系統(tǒng)基本功能已實(shí)現(xiàn),能與其他網(wǎng)關(guān)設(shè)備互通,并能與運(yùn)營商的Gatekeeper互通。在該設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,可以通過選用處理能力更強(qiáng)的芯片來支持更多話路,可以增加SIP協(xié)議棧以支持雙協(xié)議棧架構(gòu),還可以實(shí)現(xiàn)真的FXO接口電路以支持遠(yuǎn)端VoIP呼叫,這些都是系統(tǒng)未來可以改進(jìn)的地方。

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