一种基于嵌入式技术的VoIP网关设计_voip

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一种基于嵌入式技术的VoIP网关设计

刘波吴学智林海涛何如龙 2008/08/20

　　作为目前热门的嵌入式技术，开发基于嵌入式技术的voip网关有助于进一步拓宽嵌入式技术的应用范围。本文介绍了基于嵌入式arm处理器的voip网关模块的设计思路，并结合核心芯片ac4880xc-c详细介绍了该模块的设计流程、软硬件结构及其工作方式。

voip的应用趋势

　　作为ngn（下一代网络）中的重要组成部分，voip是面向未来、可持续发展的语音解决方案，可以为商业和家庭用户提供质优价廉的ip语音服务。随着ngn网络技术的快速发展，voip的通信量也已得到快速增长，并以其低廉的价格优势迅速占有市场。

voip语音技术与传统电话的区别

　　voip（又称ip phone）是建立在ip技术上的分组化、数字化语音传输技术。其基本原理是：通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按ip等相关协议进行打包，经过ip网络把数据包传输到接收地，再把这些语音数据包串起来,经过解码解压处理后,恢复成原来的语音信号，从而达到由ip网络传送语音的目的。voip系统把传统电话的模拟信号转换成计算机可联入因特网传送的ip数据包,同时也将收到的ip数据包转换成声音的模拟电信号。经过voip系统的转换及压缩处理，每个普通电话传输速率约占用8～11kbit/s带宽，因此在与普通电信网同样使用传输速率为64kbit/s的带宽时， voip线路数是原来的5～8倍。同时，ip技术允许多个用户共用同一带宽资源，改变了传统电话由单个用户独占一个信道的方式，节省了用户使用单独信道的费用。

　　voip的基本结构由网关（gw）和网守（gk）两部分构成。网关的主要功能是信令处理、h.323协议处理、语音编解码和路由协议处理等，对外分别提供与pstn网连接的中继接口以及与ip网络连接的接口。网守的主要功能是用户认证、地址解析、带宽管理、路由管理、安全管理和区域管理。voip的核心与关键设备是voip网关。

基于嵌入式技术的voip功能实现框图

　　1、voip实现原理框图：（如图1）

　　2、嵌入式系统中voip的工作过程：

　　① 在单个独立的嵌入式系统内部进行语音通信时，该系统实现功能的过程如下：用户话音脉冲通过slic和codec电路产生pcm流，载入语音处理器ac4880xc-c中，通过片内dsp进行语音压缩、成帧（包括地址等用户信息及语音信息），ac4880xc-c再将数据包通过hpi口传送到主系统，完成交换功能后，认定目的地是本系统的另一个用户，将处理过的话音数据包传给ac4880xc-c，ac4880xc-c进行解压缩后，以pcm流返回到codec部分，根据目的地址信息驱动目的用户。

　　② 在嵌入式系统之间进行语音通信时，过程如下：ac4880xc-c将话音数据包通过hpi口传给本系统后，本系统的交换功能认定目的地是另一个嵌入式系统的一个用户，本系统将数据包重组后，通过i/o端口传给目的系统，由目的系统自动完成解压缩，驱动目的用户的功能。

系统设计实现

　　硬件设计为以下六块组成

　　1、slic（用户线接口电路）部分

　　采用amd公司生产的am79r70plcc芯片，通过该芯片产生输入、输出话音脉冲和铃音脉冲。

　　2、codec（编解码）部分

　　采用amd公司生产的am79q021jc编解码芯片，通过该芯片产生的pcm流送到语音处理芯片处理。

　　3、语音处理部分

　　作为本系统中的核心部分，语音处理采用以色列audiocodes公司生产的专用多通道语音处理芯片ac4880xc-c。它具有以下特点：

支持itu的g.711、g.723.1、g.726、g.729a等分组语音处理标准；

支持回波抵制和抵消、静音检测和舒适噪音等提高分组语音处理性能的配套模块；

高质量坏帧插补；

支持2.4~14.4 kbps的t.38和frf.11的功能传真业务；

支持各种信令，如dtmf等；

提供语音、传真、数据或信令等pcm高速接口；

可选择或o 律；

输入输出增益控制；

提供同步hpi、pcm、时钟、存储器以及i/o和仿真测试接口(如图2)；

144pin，tqfp封装，1.8v内核电压，3.3v芯片电压。

　　4、cpld部分

　　ac4880xc-c采用8位并行的主处理器接口hpi接口与主系统进行数据交换。鉴于嵌入式系统中接口逻辑繁杂，选用cpld实现接口适配功能。主cpu可通过cpld控制实现codec 和slic部分的功能。

　　5、hpi接口部分

　　本设计中，嵌入式系统cpu与ac4880xc-c通过hpi接口进行数据通信，cpu通过ac4880xc-c片内共享的双口存储器与其片内dsp实现数据交互。

　　hpi接口包括1根8位数据总线和11根控制总线。主系统cpu通过三个寄存器（hpic、hpia和hpid）控制ac4880xc-c及访问片内存储空间。hpic为控制寄存器，用来选择ac4880xc-c的高低字节顺序。hpia为地址寄存器，用来寻址片内的2k存储空间。hpid为数据寄存器，用来缓存每次读写的两个字节数据，外部cpu以单个word或块数据访问hpid。以块数据方式访问时，hpia寄存器自动累加，可减少外部cpu写hpia寄存器的开销。ac4880xc-c的内部寄存器和存储器为16位，外部cpu每次访问ac4880xc-c必须以两个字节为基本单位，信号线hi/lo用来选择高低字节，信号hrs1、hrs0指示当前访问的是哪个寄存器。

　　6、语音接口部分

　　语音接口提供未压缩语音、传真数据的i/o通道。语音接口对外提供四根信号线pcmin、pcmout、pcmclk、pcmfs构成pcm总线，直接连接外部codec芯片的pcm highway。pcmin输入从codec送来的pcm信号，ac4880xc-c内部的dsp按照相应标准压缩后从hpi口交给主系统cpu 处理。pcmout则相反，ac4880xc-c将主系统cpu送来的语音数据按照合适的标准解压缩，然后从pcmout口送到外部codec，codec经过数/模转换后恢复成语音信号再通过用户接口送给用户端。pcmclk提供2.048mhz的比特同步时钟，而pcmfs提供8khz的帧同步时钟。pcm主时钟（bclk）、帧同步时钟（fs）、接收数据（dr）和发送数据（dx）一起构成pcm highway信号，与ac4880xc-c进行连接。bclk与fs分别对应ac4880xc-c的pcmclk和pcmfs，这两个时钟信号都由ac4880xc-c 产生；dr和dx分别对应ac4880xc-c的pcmout和pcmin。pcm highway信号时序以及时隙与帧同步信号的关系分别如图3、图4所示。为了codec与dsp芯片间正确收发数据，一般选择codec芯片在bclk的上升沿发送数据dx，下降沿采样数据dr，而在另一端的ac4880xc-c，则在时钟下降沿采样pcmin，上升沿发送pcmout。

软件设计部分

　　该系统软件主要用于对ac4880xc-c进行控制，实现读写等操作。

　　1、编写芯片ac4880xc-c的读写函数

图5 软件流程图

　　主要是基于嵌入式arm处理器，通过hpi接口实现对ac4880xc-c及相关芯片的读写操作。流程图如图5所示：

　　2、配置ac4880xc-c内部设置

　　首先通过处理器对codec和cpld进行配置，并调用audiocodes 公司提供的初始化内核程序对ac4880xc-c进行复位初始化。复位成功后，写入内核程序，然后写入工作程序，最后再将这些程序通过ac4880xc-c的hpi接口写入到ac4880xc-c，芯片即开始工作。

结语

　　嵌入式系统作为一种功能强大的软硬件操作开发平台，很适合基于嵌入式arm处理器的voip的开发。ac4880xc-c是一款功能强大语音处理芯片，本方案利用该芯片作为核心芯片，配以其他功能芯片实现了基于嵌入式技术的voip网关。该网关已应用于嵌入式综合实验平台，效果十分理想，在ip电话和多媒体通信领域的应用前景非常广泛。

《世界电子元器件》