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基于TMS的多功能IP电话设计
 
慧聪网   2005年12月16日14时53分   信息来源:嵌入式系统    

  1. IP电话的发展趋势

  IP电话是指利用IP协议通过分组交换网络进行话音通信的通信方式。 因特网是采用统计复用信道技术的分组网络,与传统的的电路交换网络相比,因其带宽合并和业务综合等特性使其传输设备和信道利用率大大提高,从而降低了系统运营成本。IP电话也因此作为因特网的一个应用得到了迅速发展。特别是VoIP技术与其它互联网应用技术(如Web)的结合,并借助智能网技术,可以方便地实现许多智能业务,如基于web的呼叫中心。这些先进的业务应用正刺激着传统的电话通信向真正的基于IP网络的电话通信转移。

  目前IP电话的接入方式是使用普通电话拨入ITSP (Internet Telephony Service Provider)提供的IP电话网关,然后经过一系列认证,再进行呼叫、接通和通话。造成这种情况的原因是因为目前的网络环境尚不完善,如带宽不足,网络接口尚不能直达用户等。但随着因特网的不断扩展和新技术的出现,我们认为这种IP电话的接入方式会逐渐被淘汰,用户将直接通过IP电话机拨打电话,而这种IP电话机可能是一个直接连接到因特网的一个独立设备,也可能是一台移动电话的手机,还可能是普通桌面PC的外设,甚至于是一台连接到因特网的智能家用电器的一个附件。

  我们所说的这种IP电话的普及首先会出现在大型跨区域公司的企业网内部。目前各大公司都已经部署了公司内部的LAN,有些公司还采用的先进的交换式以太网技术,或者ATM交换机。这样如果这些公司部署IP电话系统,不仅无需重新架设电话布线系统,而且可以大量节省公司各分部之间的长途通话费用。其次,只要公司内部LAN(也可能是一个跨地区的VPN)的网络规划做得好,合理划分网段,合理分配流量,应该不会出现QOS问题,甚至可以保证话音达到长途质量。引入IP电话网后,公司可以在其上方便地实现各种CTI增值业务,如建立一个基于web的24小时呼叫中心,提供关于公司的业务介绍,各项服务等。

  下一步的发展方向必然会是家庭用户。目前之所以未能在家庭中普及是因为网络环境尚不具备,话音质量得不到保证。普通家庭用户的接入设备一般为V.90调制解调器,速度较慢,尚不能达到原来老式电话的话音质量。在今后几年,随着网络基础设施的完善,xDSL、Cable Modem或其它高速IP接入技术入户后,IP电话的发展高峰终将到来。IP电话完全可以通过高速接口(如以太网RJ45接口或USB接口)与Cable Modem或xDSL连接,从而直接接入因特网,甚至取代传统的电话网。

  近几年来,基于IP的数据业务呈爆炸性增长。因特网从一个科研应用的计算机联网系统,在短短几年内演变为全面商业化的全球信息网。据IDC预测,未来两到三年,通过因特网发生的传真业务将占到10%,电话业务将占到11%。可见IP电话的前景十分乐观。在未来的通信市场中,由它取代传统电路交换电话业务并不是不可能。

  2.IP电话机的基本硬件结构

  与传统电话机不同,IP电话机需要处理复杂的语音编解码算法和网络通信协议,必须以具有很强处理能力的处理器为核心。因此,我们提出了一种以TI DSP TMS320C5402处理器为核心,另外加一片通用微控制器作为协处理器,并集成了话机手柄、键盘、液晶显示和包括RJ45、USB、RS232在内的多种通信接口的IP电话机原型。它可以通过RJ45接口直接连接IP网络,也可以通过USB或RS232接口与普通台式PC和其他计算机设备(如路由器等)连接。其基本设计原理如图1所示。

  

图1 IP电话机硬件结构框图

图1 IP电话机硬件结构框图

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  接口控制逻辑可以处理电话的普通按键(0-9,*,#)和附加按键(重拨,号码存贮等)信息,液晶显示屏用于显示话机状态,时间,主/被叫号码等信息。

  USB接口单元采用NS的USBN9602,它是一种支持USB1.1规范的单SIE(Serial Interface Engine)USB控制器芯片,可以提供12Mb/S通信接口。

  RS232接口单元是用软件在DSP上实现的,可提供110-115200波特低速通信接口。

  系统的核心是TMS320C5402和MPC860T。C5402是一种具有高处理能力和低功耗特性的16位定点DSP芯片,其主要特点有:1)处理能力高达100MIPS,而且片内集成了16K字的双存取RAM,程序地址空间最多可扩展到1M字;2)外设接口包括2个多通道带缓冲的串口,1个HPI口,2个定时器,和1个可编程时钟发生器;3)核心电压为1.8V,I/O电压为3.3V,而且提供多种降低功耗的措施,包括系统空闲时可以暂时停止时钟发生器的工作,大大减少了系统的耗电量,尤其适合于便携式或使用电池供电的设备。因此,该处理器完全能够满足IP电话机中的话音数据处理功能的要求。系统中的控制器采用Motorola的MPC860T,它内部集成了32位PowerPC微控制器和10/100Mbps Ethernet MAC, 主要用于处理网络协议、信令交互、呼叫处理和用户接口信息。MPC860和数字信号处理器之间采用主从方式连接,两者通过HPI接口进行通信。在原型机的开发中,我们使用PC仿真MPC860T的功能,即话音经过DSP压缩打包后不再通过MPC860T进行网络传输,而是通过USB接口将压缩数据送到PC机上,并由PC机完成呼叫处理、信令协议交互和网络路由传输等功能。在改进系统中,只需把这部分设计移植到MPC860T+VxWorks平台上即可。所以下面我们将主要描述系统的存储器配置、接口设计和软件结构,不再对控制器部分设计进行讨论。

  3.存储器设计及配置

  C5402片内提供了16K字的双存取RAM可配置为程序存储空间或数据存储空间。但由于系统软件将涉及多种语音编码标准算法、多种通信协议和复杂的网络通信协议,需要较大的程序存储空间。因此,系统扩展了一片64K*16bits的SRAM作为片外程序运行空间,扩展了1片128K*8bits的Flash用于存放固化的程序和数据。其地址分配如图2所示。

  

图2 C5402的存储空间分配

图2 C5402的存储空间分配

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  另外,Flash的可编程特性有利于系统软件的升级,可以随时通过USB或RS232接口与主机通信进行在线软件更新。同时方便话机扩展附加功能,如存储一些通信录数据、话机数据设置等。

  4. C5402与USBN9602的接口

  USB是由Compaq, Intel , Microsoft , NEC四家公司联合提出的新一代串行总线接口标准,它支持热插拔和PnP技术,传输速率分为低速(1.5Mb/s)和高速(12Mb/s)两种。串行差分信号在两根双绞线上传输,另外两根线分别为+5V总线电源和地。USB总线上的数据传输遵循USB总线协议。USB总线是一种轮询式的总线,每次数据传输由USB主机控制器发起。各个USB设备根据数据包头的地址和端点号,解码属于自己的数据包。使用USB总线的系统易于扩展,通过USB Hub扩展可连接多达127个外设。标准USB电缆长度为3米(5米,低速)。通过Hub或中继器可以使外设距离达到30米。为适应各种不同的数据业务,USB1.1规范定义了四种传输类型。它们分别是:适于突发,非周期数据的Control传输;用于周期、连续数据通信的同步传输(Isochronous Transfers); 中断类型传输(Interrupt Transfer)以及块类型传输(Bulk Transfer)。

  在我们的原型系统中,IP电话作为桌面PC机的话音外设,USB总线协议使用控制传输和中断传输实现与PC机交换话音数据和信令消息。在改进系统中,将考虑USB总线作为高速通信接口直接与用户接入设备连接,如连入带有USB接口的线缆调制解调器或其它数字用户环路设备。图3是TMS320C5402与USB接口芯片USBN9602的连接框图:

  

图3 C5402与USBN9602的连接

图3 C5402与USBN9602的连接

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  USBN9602占用DSP的IO地址空间,DSP通过复用模式(Multiplexed Mode)访问9602的寄存器和数据:访问每个寄存器时先通过数据线D0-D7放入要访问的寄存器的地址,然后将9602的A0控制管脚置低电平,并从D0-D7读取数据,从而完成一次寄存器访问。9602的INTR管脚接54x的中断INT3管脚,每当有USB(接收、发送、握手消息)事件发生时,产生中断通知DSP,DSP读9602的事件寄存器,具体确定是由哪种事件触发的中断,调用相应的ISR处理USB数据。

  USBN9602有7个FIFO。一个双向FIFO,深度为8字节,用于控制传输;3个接收FIFO,深度分别为32,32,64字节;3个发送FIFO,深度分别为32,32,64字节。主叫方讲话时,话音经过A/D变换,通过DSP的串口递交给G.723语音编码器,根据G.723标准(每30ms为一帧,共240个样点,压缩完成后,5.3K速率时一帧压缩完毕后为20字节,而6.3K速率时一帧压缩完毕后为24字节)对语音进行编码,然后由DSP向端点5的FIFO(TXFIFO3,64字节深FIFO)中写数据,即通过9602的数据寄存器往FIFO中逐字节写入,写完该数据包后,置TX_LAST标志,然后置位TX_EN,开始发送。主机则按固定间隔,如1ms,向9602发送IN令牌,表示主机将要把该端点FIFO中的数据取走。主机成功收到数据后,会向9602发送应答ACK消息,完成一次数据交互过程。

  主叫接听时,被叫的话音数据写入9602的Interrupt OUT类型端点的FIFO时(端点6的FIFO RXFIFO3, 64字节深),主机发送OUT令牌通知9602接收数据,9602根据事件寄存器(MAEV、RXEV等)判断出中断原因,然后调用端点6的ISR进行处理,由G.723.1解码程序对数据进行解码。

  端点3(TXFIFO2)和端点4(RXFIFO2)负责传送双向电话信令消息。

  4. 基于C5402的软RS232接口

  RS232为低速率应用提供通信接口,可以与普通PC、路由器连接,还可以与具有RS232接口的PDA连接,以便从PDA上下载用户的个人电话号码簿。系统原型中利用5402的XF,BIO,INT0和定时器实现一个最简RS232接口,支持从110到115200各种波特率。DSP通过XF管脚向RS232口发送串行数据,通过BIO管脚接收来自RS232口的串行数据。BIO与INT0相连,可以避免频繁检测接收管脚的电平。当接收端出现第一个低电平,认为是接收字节的开始位,每次判决电平位置在每个比特的中间位置,可以最大限度的防止误判的发生。原理如图4所示。

  

图4 C5402与RS232接口的连接

图4 C5402与RS232接口的连接

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  RS232接口的主要逻辑都是用5402汇编语言编写的,减少了硬件成本和系统体积。发送时先将8位原始数据加上1位起始位和2位停止位,然后根据波特率设定时钟间隔。每次时钟中断发生时,发送1位数据,直到包含这8位原始数据的11位数据全部发送完成。

  接收时由低电平触发INT0中断,表示有新数据到来,进入INT0中断服务子程序。为防止误判,中断子程序首先检查接收到的第1位是否为开始位,如果不是说明并未有新数据到来。如果确是开始位,则屏蔽INT0中断,根据波特率设置定时器,开始数据接收。每次接收时钟中断发生,检测BIO值并将检测值依次移入接收寄存器。最后去掉开始位和停止位,将8位数据位存入接收缓存,完成1个字节的接收。

  5.系统软件结构

  在我们的原型系统中,数字信号处理器作为话音处理器,主要完成话音编解码、USB通信协议和RS232通信,而虚线框中的部分目前是在PC机上实现的。在改进系统中,这部分软件要在MPC860T平台上实现,同时采用实时操作系统VxWorks作为软件平台。整个系统的软件结构如图5所示。

  

图5 IP电话软件结构图

图5 IP电话软件结构图

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  其中话音信号处理模块完成话音编解码、话音激活检测(VAD)、声学回波抵消等功能。语音编解码可以完成5.3/6.3Kbps G.723.1,8Kbps G.729以及64Kbps G.711等编解码算法。VAD检测接收到的信号,判断是否是语音信号。当检测到无声信号帧时,话机只向网络发送携带噪声特性信息的低比特数据或停止发送数据,从而更有效地节约传输带宽。我们这里讨论地IP电话系统中由于不存在传统电话系统中的2/4线转换问题,所以不会产生电路回波。但是仍然不能避免声学回波的出现,如免提功能的使用、手柄耦合效应等,因此必须设计回波抵消模块来抑制声学回波的产生。

  液晶显示模块用于控制液晶显示屏的显示功能,如电子时钟、主被叫号码信息等。按键扫描模块用于实时扫描键盘状态,获取用户按键信息。信号音发生模块用于生成系统所需的各种提示音、震铃音等音频信号。

  主控制模块除了协调其它各模块之间的通信外,主要实现基于H.323协议栈的呼叫处理过程。它根据用户接口和网络接口发来的消息进行呼叫的建立、保持和清除等状态的转移。如采用H.225.0呼叫信令在终端之间建立/拆除连接;采用H.245进行终端之间的能力交换、打开/关闭逻辑通路、流控消息等。
主机通信模块完成RS232、USB、RJ45接口的控制功能。

  RTP用来承载具有实时特性的话音数据,提供端到端的传输服务。这些服务包括负载类型标志、序列号、时间戳和传递监听。RTP自身不提供任何机制保证及时传送或服务质量,而依赖于更低层的服务。

  TCP/IP协议栈则利用操作系统提供的接口来实现。

  6.结束语

  基于上述讨论,我们开发了一套IP电话的原型机。目前该原型机可以通过USB或RS232接口与PC连接,在PC机上实现H.323协议。同一网段LAN上的试验表明,通话质量可以达到长途通信质量,基本无QOS问题。下一步的开发工作将集中于把目前PC实现的TCP/IP协议,H.323协议移植到MPC860T上,使其成为一台独立的IP电话终端设备,可以直接接入因特网。

  随着互联网迅速向办公桌和家庭用户延伸,电话通信的方式也将因IP网络的普及而发生根本性的改变。我们在这里只是提出了一种IP电话终端的解决方案,实际上由于IP网络的灵活特性,IP电话将在外部表现形式或功能上均以多种形式出现。一种可能的情形是,无论你是在一台台式计算机上,或是在一台办公设备旁,还是在操作家里的家用电器,都可以通过IP网络与世界上的任何人通话。

 
作者:谭鹏,温斌,吴善培 
 
 
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