（通信与信息系统专业论文）基于mcf5235的voip语音处理终端的设计与实现.pdf

摘要 摘要 v o 坤是v o i c c o v e r i p 的简称，即i p 语音技术。其基本思想是通过i p 包的传 送来实现语音业务。其最大的优势是能广泛地采用k t e m e t 和全球i p 互连的环境， 提供比传统业务更多、更好的服务。 随着网络技术和多媒体技术的发展，传统电信业务与i n t e m e t 业务呈现出紧密 结合的趋势。而在这种发展趋势中v o i p 技术和实际应用都得到了很大的发展。 与此同时，为了支持新的多媒体商业应用，传统电信网络将越来越开放，并引入 许多新的功能和物理部件。因此，有必要开发新的网络结构来反映这种新的网络 环境，这种网络结构就是下一代网络( n g n ) 的基本框架。这种发展也对i p 电 话技术中非常重要的信令控制技术提出了新的要求。现有的i p 电话信令控制协议 h 3 2 3 协议由于自身的限制无法很好的满足这种新要求，而s i p 协议以其所具有 的结构简洁、易于扩展和适于l i l t e m c t 接入等良好的特性使它可以有效的控制媒 体网关，控制p c 呼叫，从而使其在n g n 的控制协议中具有重要的地位。 本文基于“c o l d f i r e 平台的职电话设计”项目。简述了、，o i p 的产生背景和发 展现状，介绍了i p 的技术原理与关键技术，包括语音编解码和语音控制技术， 以及信令控制技术。从协议功能与支持业务、复杂性和可扩展性几个方面，将s i p 协议与h 3 2 3 协议特点进行了比较。讨论了基于e c o s 嵌入式操作系统交叉开发环 境的建立。 本文的重点在于设计语音处理模块，并在目标平台m 5 2 3 5 开发板上实现。该 语音处理模块由两部分组成，完成语音的处理，包括语音压缩模块、静音处理模 块和回声消除模块，主要为了提高v o l p 的语音质量。作者所在项目组已经在 f r e e s c a l e 的m c f 5 2 3 5 芯片上实现了v o l p 语音处理模块的设计，该模块工作正常， 主要指标满足相关技术标准，达到了期望目标。 关键词：v o i p ，e c o s 操作系统，语音压缩，回声消除，自动增益控制 a b s t r a d a b s t r a c t v o i ew h i c hs t a n d sf o rv 0 i c co v e ri n t 啪e tp m 妣o l ，i st h c 口v o i c c 柚ds p c e c h t c c h l o g y i t sb 弱i ci d i st or l i z cv o i c ca n ds p e c c hb u s i n 髂st h o u 曲t m 璐m i t t i n g 口 p a c k c t n em o s to u 姚n d i n ga d v 觚t a g c0 fv o l pi sc a p a b l eo fu t i l i z i n gt h ew o d d i n t c m e tn e m o r k i n gt op r o v i d ci pt e l e p h o n es e i c e ，w h i c hp m v i d e sm o m 柚db c n e r v a l u c a d d c ds c i c c st h 孤t f a d i t i o n a lt d e p h o n eb u s i n e s s w i t ht h cd c v e l o p m c n to fi i i t e m e t 柚dt h em u l t i m e d i a 伽m u l i i c a t i o nt e c l l l l 0 1 0 9 y t h et m d “i o n a l1 c l e - s e i c ci sd o s e l yi n t e 舯t e dw i t hi n t c m c ts e r v i c c i pp h o n ei sb e m i n g eo f t h cm o s tm p i d l yd c v e i o p i n ga p p l i c a t i o nt c c h n o l o 画e s 1 1 l e r v i c ci nt h en g nn e e d st h cn e ws i g 眦lc o n t r o lp m t o c o l 辄p c f i o rt oh 3 2 3 t 1 l c s i p p r o t o c o l sa r cs i m p l e ，f l e x i b l e 柚de 勰i l yt o 麟p a n d ni sa o c o u m c dt ot h ei m p o f t a n t s i 印a lt e c i l i l o l o g yi nt h en g n s i p i s 卸a p p l i c a t i o n i a y e rc o n t r o l ( s i g l l a l i n 曲p r o t o lp m p o s e db yi e t f f b r c 陀a t i n 岛m o d i f ya n dt e 瑚i n a t i n gs e s s i o n t 1 l es t m d u r eo ft h ev o i ps y s t e ma n dt h er e l a t i v et e d m o i o 百c si n c i u d i n ga u d i o c o d i n g ，d e d i n ga n ds i g l l a lc o n t r o lt e c l l l o l o g i e sa f ed i s c i i s s c di nt h i sa n i c l e n es i p s t a c k ss y n t a x ，e n t i t ya n dc o m m u n i c a t i o nb c t 、v e e nt h et 、0e n t i t i e sa r ed e s c r i b e dt o o b u i l tu p o nt h ep r o j e c td 研垤k 胛死m 胁4 z b 船谢伽c d 刎讥砌和朋，t h i s p a p e rd e s i 印ss p e e c hp m c e s s i n gm o d u i ea n ds u c c e s s f u l i ya p p l i e dt h i ss o l u t i o n 鲫t a l g c t p l a t f o 珊t h e 印e e c hp r o c e s s i i l gm o d u l ci n c i u d e ss p e e c hc o m p r e s s i o n ，v o i c ea c t i v i t y d e t c c t i 粕de c h oc a n c c l l a t i o nm o d u l e ，w i l i c hi m p m v e s p e e c hq u a l i t y t l i i ea u t h o r h 筋f i n i s h c dt h ei m p l 锄e n t a t i o no fv r o i ps p e e c hp m c e s s i n gm o d u l eo n i i h e s c a l em c f 5 2 3 5c h i pw i t hq u a l i f i e dp a r a m e t e r sa n dt h i sm o d u l ew o r k sw e l l k e y w o r d s ： v o i p ，e c 0 s ，s p e e c hc o m p r e s s i o n ，e c h oc a n c e l l a l i o n ，a g c l l 图表目录 图2 1 图2 - 2 图2 - 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 6 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图6 1 图6 2 图6 - 3 图6 4 图6 5 、，o i p 的模型结构 、，o i p 传输的基本过程 s i p 信令的独立传输 e c o s 结构图 c o 。s 源码结构图 图表目录 e c o s 组件包中的结构图 e c o s 开发的简便流程图 w i n d o w s 下建立e c o s 开发环境的流程。 l i n u x 下建立e c o s 开发环境的流程 e ( ) 吣配置工具操作界面 一个e c b s 丌发平台 对当 j i 好帧的处理过程 第一帧坏帧到来时对历史缓冲的处理 p i t c h 的侦测 声学回声消除器 1 7 1 7 1 8 2 6 自适应f i r 滤波器产生回声副本原理3 0 语音活动检测流程图 g 7 1 1 a 率编码器的流程图4 0 g 7 1 1 u 率编码器的流程图 二维数组的n ，z 访问 、，a d 判决流程图。 4 0 。4 3 。4 5 将a e c 移植到m c f 5 2 3 5 的丌发流程4 8 声学回声消除器的模块结构图。4 8 回声消除器输入信号波形。 回声消除器输出残差信号波形。 a g c 模块在音频处理的位置 a g c 在m a t l a b 中的仿真结果 、，0 i p 硬件框架图 、，o i p 软件框架图 话机测试网络 4 9 5 0 5 0 5 2 5 5 5 6 5 8 话机设置显示。5 9 、，o i p 终端和p c 机的s l p 终端的通信过程 表2 1 各种语音编解码标准的性能比较。 表2 2h 3 2 3 和s l p 性能比较 v 8 。1 1 四四加俎笛 图表目录 表4 1g 7 1 l 线性p c m 码转为a 率压缩码2 4 表4 2g 7 1 l 线性p c m 码转为u 率压缩码2 4 表5 1 有效寻址模式与种类4 2 表5 2a g c 模块测试结果5 3 表6 - 1p c 上功能测试结果5 9 v l 缩略词表 缩略词表 缩略词英文名称中文名称 v o 口、b i c c o v e r 疋 基于口协议的语音通信 s ms 8 i o ni n i d 撕p r o t o c o l 会话初始协议 i 册 h y p 暇1 h tt r 8 m i i o np 咖l 超文本传输协议 n g nn 嘲g e m 虹o nn d 下一代网络 t f l p强砌f i l c t m s 向m o c o l 简单文件传送协议 t c pt i 锄埘n i 鹋i o nc 衄仃o lp t o o o l 传输控制协议 s m t ps i m p l e m a n t 舢硒p r o t o o o l 简单邮件传送协议 r m r d u t i n gh f b m 耐p r o t o c 0 1 路由信息协议 u a u a g e n t 用户代理 u d p u d a t a 鲈mp r 0 咖l 用户数据报协议 s d ps e s s i o nd e s d b ep r o t o c o l 会话描述协议 v i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 筮2 1 日期：如矽年n 矽日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘厂允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：垃导师签名：进 日期：m 年厂月u 日 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 随着计算机网络与通信技术的迅猛发展，基于互联网的实时多媒体业务正日 益受到人们的重视。v o i p ( 、，o i c co v e ri p ) 是目前基于职分组网络多媒体通信的 一个典型业务。同时也是基于互联网增长最快的业务之一，现已成为当前计算机 网络技术和通信技术研究的热点之一”。 v o 口作为一种口语音技术，其基本思想是通过i p 包的传送来实现语音业务。 在发送端对语音数据进行编码压缩，然后将数据封装在i p 包内，通过i p 网或互联 网发送到接收端，并进行解包解压缩，还原数据，实现语音通信。v o i p 技术的出 现，使语音业务在数据网上连续而高效的传输成为可能，它提供了一种强大、经 济、有效的新的通信手段。它能够促进网络资源利用，降低语音业务成本。 口电话与传统电话的主要区别在于使用的传输媒介和交换方式不同。i p 电话 使用的传输媒介为h t c m e t ，使用分组交换技术，而传统电话使用的为p s t n ，使 用电路交换技术。分组交换技术的使用，使得i p 电话有信息时才传送数据，无信 息时不需要传送数据。使用压缩技术后，i p 电话所需的网络带宽远低于传统电话 所需的网络带宽。 计算机技术和通讯技术的紧密结合产生了计算机网络。随着其广泛应用和宽 带的普及，它的主要业务己由传统的文件传输、电子邮件和远程登录等基本服务转 向以v o i p 为代表的多媒体服务。在这种形势下，v o i p 己经在全球范围内得到了迅 速的发展，可以说是当今世界上发展最快、普及最快的一门应用服务技术之一， 也是计算机网络界关注的热点之一。本论文设计的主要目的就是探讨v 0 i p 语音处 理终端以及其关键技术的设计和实现方法，有着较强的实际意义和工程价值。 1 2v o i p 技术的发展现状 通信技术的持续进步在很大程度上影响着我们信息交换方式的变革，这种影 响使得我们正处在一个新时代的丌端。其主要特征就是互联网的迅速崛起所引发 的i p 通信技术的广泛应用，即第三次通信革命。i p 通信技术已丌始成为通信舞台 电子科技人学硕十学位论文 上的主角，并与语音通信、视频通信形成新的产业汇聚。使一个崭新的通信世界 同渐凸现出来【”。、，o i p 技术就是在这种情况下发展起来的。 v o i p ( v o i c c0 v e r i p ) 是指将模拟的语音信号数字化，进行分段压缩后按照一 定的规律加上i p 地址头，经j p 网络路出或交换至目的地址后，i p 包再经相反过 程还原成语音信号。所涉及到的技术比较繁杂，其中以下几种技术的发展最为关键， 包括分组语音技术、语音编码及压缩技术。当前，v o i p 应用非常热门，主要原因有 三点： 1 1 符合三网合一发展方向。i p 技术是通信领域的新潮流，它符合未来三网合 一f 电话网、广播电视网、数据网) 的发展方向，因而其市场潜力十分可 观。 2 ) 充分利用网络资源。它采用了先进的数字信号处理技术，可以将原6 4 k b ，s 的话音信号压缩成8 k b ，s 或更低码速率的数掘流，能够在同一条线路上传 输比采用模拟技术时更多的呼叫，大大提高了效率。并且采用的是分组交 换技术，可以实现信道的统计复用，使得网络资源的利用率更好，大大降 低运营商的投入成本。 3 1 低廉价格的服务。v o i p 的最大优势就是价廉。通过i n t e m e t 打长途电话的 成本仅相当于传统电话的l 5 ，最多不到5 0 。 v 0 i p 以i p 电话为主，并推出相应增值业务的技术，其最大的优势是能广泛 地采用互联网和全球l p 互连的环境，提供比传统业务更多、更好的服务。v o l p 是一种新兴的、正在迅速发展的技术，j 下在改变着人们的通信方式。v o i p 低廉的 成本确保了其在市场竞争中的地位，尤其是企业级、b i p 的应用极大地降低了企 l t 的运营成本。伴随着v o i p 在全球电信市场的不断普及，对服务供应商、设备 制造商以及最终用户而言，性能改善、成本低廉以及多功能的支持使、，o i p 成为 一件极富吸引力的事物。 相比传统电话，语音质量和通信可靠性还不够理想。这是、，0 i p 电话技术需要 解决的重大难题。v o i p 业务的进一步发展也面临着以下几个方面的问题1 2 】： 语音编解码：由于带宽的限制，v o i p 和语音编码技术是分不开的。目前的各 种成熟的语音编码技术，由于其量化、压缩的原因会对语音造成一定影响。如何 在节省网络带宽的情况下取得较好的语音压缩质量，一直是国内外相关组织研究 的重点。 时延丢包：在交互式语音对话中时延过大或抖动会造成间隔感。这主要是由 于各种结构互联而成的i n t e m e t 时刻处于不断变化之中，因而在i n t e r n e t 中点到点 2 第一章日 言 的每一个数据包在网络中经历的延时会由于网络的变化而不相刚“。数据包在网络 中传输时一旦遇到网络阻塞，就会被堵在各个网络节点，如果堵在各个网络节点 的分组数量超过节点的缓冲极限，就会有部分数据丢失，即丢包。此外，由于实 时话音业务有严格的延时限制，长时问的延迟是不能承受的。 回声：回声现象实际上也存在于p s t n 电话网络，但是由于在i p 网络中存在 语音压缩算法延时和固有的网络时延，回声现象在v o i p 中更加明显，是影响语音 质量的主要原因之一。 本项目所采用由f i 优s c a l e 公司提供的m 5 2 3 5 开发平台具有强大的数据处理能 力。提高了语音压缩性能，从而可以达到改善v o 口的语音质量的目的。 1 3 论文选题及结构 本课题来源于我校的横向合作项目，旨在开发出基于嵌入式操作系统e c 0 s 和 s l p 协议的v o l p 终端系统，硬件平台采用m 5 2 x x 系列开发板。e c o s 系统的最大特 点川。是可裁剪，可配置和可移植性，极有利于运用于小规模的嵌入式应用中。该 操作系统是开放源代码的。；s i p 协议和传统的h 3 2 3 相比，其以文本形式表示的 消息的词法和语法分析比较简单，且呼叫建立时间短，目前运用广泛。 作者在课题中主要负责e c o s 音频驱动和v r o i p 语音处理模块的实现。具体论 文的结构安排如下： 第一章介绍了本课题的背景和来源，以及课题相关的国内外发展现状。 第二章对v o l p 技术原理及系统协议框架进行阐述，并在此基础上介绍了v o i p 语音处理模块的主要技术。 第三章介绍了e c 砖嵌入式操作系统的结构，重点介绍了p c 机与m c f 5 2 3 5 硬件平台e c o s 交叉开发环境的建立。 第四章介绍了v o i p 语音处理相关算法，包括q 7 1 1 协议、回音消除算法和自 动增益控制算法的分析。 第五章介绍了定点建模的相关知识以及项目所涉及的d s p 库。对d s p 库的介 绍包含有g 7 1 1 、a e c 、a g c 等语音处理模块的内容。 第六章是对语音处理终端的测试。介绍了系统的设计及测试的软硬件平台， 提出了各模块的测试方法，并对测试结构进行了分析。 第七章对全文迸行总结，并提出下一步工作的目标和建议。 3 电子科技人学硕十学何论文 第二章v o i p 系统概述 通过因特网进行语音通信是一个非常复杂的系统工程，其应用面很广，因此 涉及的技术也特别多，其中最根本的技术是v o i p ( v o i c c 0 v e ri p ) 技术，可以说，因 特网语音通信是i p 技术的一个最典型的、也是最有前景的应用领域。因此在讨 论用因特网进行语音通信之前，有必要首先分析v o i p 的基本原理，以及v o i p 中 的相关技术问题。 2 1 、b i p 的传输原理 传统的电话网是以电路交换方式传输语音，所要求的传输宽带为“k b i 帕。而 所谓的、r o i p 是以l p 分组交换网络为传输平台，对模拟的语音信号进行压缩、打包 等一系列的特殊处理，使之可以采用无连接的u d p 协议进行传输。 为了在一个l p 网络上传输语音信号，要求几个元素和功能。最简单形式的网 络由两个或多个具有v o i p 功能的设备组成，这一设备通过一个i p 网络连接。v o i p 模型的基本结构图如图2 1 所示【4 l ： 语罾 弋理 图2 1v o i p 的模型结构 4 浯罾代理 第二章、，o i p 系统概述 从图中可以发现、幻i p 设备是如何把语音信号转换为l p 数据流，并把这些数据 流转发到l p 目的地，i p 目的地又把它们转换回到语音信号。两者之间的网络必须 支持m 传输，且可以是口路由器和网络链路的任意组合。v o i p 传输的基本过程 如图2 2 所示： 图2 - 2v o i p 传输的基本过程 下面简单介绍v o i p 传输过程的几个阶段1 5 l ： 1 ) 语音数据转换： 语音信号是模拟波形，通过口方式来传输语音，不管是实时应用业务还是非 实时应用业务，道貌岸首先要对语音信号进行模拟数据转换，也就是对模拟语音 信号进行8 位或6 位的量化，然后送入到缓冲存储区中，缓冲器的大小可以根据 延迟和编码的要求选择。许多低比特率的编码器是采取以帧为单位进行编码。典 型帧长为l o 0 m s 。考虑传输过程中的代价，语音包通常由6 0 、1 2 0 或2 4 0 m s 的 语音数据组成。数字化可以使用各种语音编码方案来实现，目前采用的语音编码 标准主要有1 1 r u t g 7 1 1 。源和目的地的语音编码器必须实现相同的算法，这样目 的地的语音设备可以还原模拟语音信号。 原数据到i p 转换： 一旦语音信号进行数字编码，下一步就是对语音包以特定的帧长进行压缩编 码。大部份的编码器都有特定的帧长，若一个编码器使用1 5 m s 的帧，则把从第一 来的6 0 恤s 的包分成4 帧，并按顺序进行编码。每个帧包含1 2 0 个语音样点( 抽样 率为8 k h z ) 。编码后，将4 个压缩的帧合成一个压缩的语音包送入网络处理器。网 络处理器为语音添加包头、时标和其它信息后通过网络传送到另一端点。语音网 络简单地建立通信端点之阃的物理连接( 一条线路) ，并在端点之问传输编码的信 号。l p 网络不像电路交换网络，它不形成连接，它要求把数掘放在可变长的数据 报或分组中，然后给每个数据报附带寻址和控制信息，并通过网络发送，一站一 站地转发到目的地。 电子科技人学硕十学位论文 3 1 传送： 在这个通道中，全部网络被看成一个从输入端接收语音包，然后在一定时间f 内将其传送到网络输出端。f 可以在某个范围内变化，反映了网络传输中的抖动。 网络中的同问节点检查每个i p 数据附带的寻址信息，并使用这个信息把该数据报 转发到目的地路径上的下一站。网络链路可以是支持i p 数据流的任何拓扑结构或 访问方法。 铆i p 包数据的转换： 目的地v o 口设备接收这个即数据并开始处理。网络级提供一个可变长度的缓 冲器，用来调节网络产生的抖动。该缓冲器可容纳许多语音包，用户可以选择缓 冲器的大小。小的缓冲器产生延迟较小，但不能调节大的抖动。其次，解码器将 经编码的语音包解压缩后产生新的语音包，这个模块也可以按帧进行操作，完全 和解码器的长度相同。若帧的长度为1 5 m s ，是6 0 m s 的语音包被分成4 帧，然后 它们被解码还原成6 0 i i i l s 的语音数据流送入解码缓冲器。在数据报的处理过程中， 去掉寻址和控制信息，保留原始的原数据，然后把这个原数据提供给解码器。 5 ) 数字语音转换为模拟语音： 播放驱动器将缓冲器中的语音样点( 4 8 0 个) 取出送入声卡，通过扬声器按预 定的频率( 例如8 k 比) 播出。简而吉之，语音信号在i p 网络上的传送要经过从 模拟信号到数字信号的转换、数字语音封装成i p 分组、i p 分组通过网络的传送、 i p 分组的解包和数字语音还原到模拟信号等过程。 2 2v o i p 的相关技术 v o i p 电话的实现绝非仅依靠某一种技术就能单独完成。它是各种技术紧密协 作的成果。大概来说分为：相关t c p ，i p 协议，包括i p 、t c p 、u d p 、r t p ，r t c p 等协议1 3 l ；m 电话基本网络协议，包括h 3 2 3 、s i p 等协议；语音编解码压缩技 术及标准，包括g 7 1 1 、g 7 2 9 、g 7 2 3 等标准。在以下章节将会对这些协议进行 更详细的介绍。 2 2 1 语音传输协议 实时传输协议r t p 用于互联网上语音和图像的数据传输1 9 1 。它与其他协议一 起用于如i p 电话这类交互式业务，r t p 在0 s l 七层结构中的位置在应用层之 下，t c p d p 层之上。它一般是在u d p 上传输的，以利用u d p 协议的差错校 6 第二章、b i p 系统概述 验及多路复用功能。r 胛协议设计的目的是提供实时信息传输中的时间信息及其 流同步功能1 5 】。 应用层产生的实时数据首先被封装成r t p 分组格式，然后再将r r p 分组封 装成u d p 分组格式，通过传输层协议进行传送。r t p 由数据和控制两部分组成 【9 】，其中控制部分被称为r t c p 。 r r p 的数据部分提供对实时应用的支持( 例如语音、图像这类连续媒体) ，包 括定时重建、丢失检测、安全保障以及内容确认等。 r t c p 提供基于i n t e m c t 的组内实时会议的支持，这种支持包括资源确认、 语音和图像网关的支持以及多址到单址的转换。它还提供监听业务接收端q o s 的 反馈，这种反馈信息可以用于检测并纠j 下实时传输中存在的问题。 翮陀p 定义了下列五种类型的r t c p 分组： 发送者报告( s r ) ：会话参与者用它转发有关传输和接收的统计信息。 接收者报告( r r ) ：只接收媒体数据流的会话参与者用它发送有关接收的统计 信息。 源描述( s d e s ) ：包含一个或多个和某个特定会话参与者相关的描述信息。在 s d e s 分组内，也可能存在其他信息。如会话参与者具有的正规名字，b m a i l 或电 话号码等。 b y e ：表明会话参与者退出某个会话。 a p p ：应用相关功能，r t ( 冲通过a p p 传送有关特定媒体或应用的信息。但 对a p p 分组的内容不作规定。 虽然这些r t c p 分组类型是单独定义的，但他们并不是逐个传输的。实际上， 常常是两个或多个r t c p 分组被组合成单个复合分组后一并传输。 2 2 2 语音编解码技术 语音通信与数据通信不同。语音包含的信息量太，通信中对实时性和质量的 要求又比较高。因而在现有网络条件下， 送端尽量压缩数据，减少对带宽的占用； 程度的减低网络传输对原始信号的影响， 码一般采用的主要有以下下几种技术1 5 1 ： 1 1g 7 1 1 标准： 需要采用相关的处理技术。一方面在发 另一方面在接收端采取弥补手段，最大 将语音做高质量的还原。对语音的编解 其采样频率为8 k h z ，码率为6 4 k b i 怕，使用律或a 律非线性压扩技术。 它将1 3 位或1 4 位的p c m 编码转换成8 位律或a 律的压扩编码，质量相 电子科技大学硕十学位论文 当于1 2 比特的线形量化。同时它还规定了律和a 律之0 自j 的转换关系。它最常 用于数字电话的语音编码中，此外还可以用于可视电话或会议电视的语音编码中。 g 7 2 3 标准； 它是极低速率多媒体通信标准系列h 3 2 4 中有关语音编码的一个标准，它具 有5 2 7 k b i 帕和6 3 k b i 怕两种速率，分别采用了代数码激励线性预测编码 ( a i c e l p ) 和多脉冲最大自然度量化编码( m p m l q ) 。它们对8 k h z 取样的1 6 比 特精度的p c m 数字音频进行处理，以尽量减少实际语音与合成语音之间经听觉 加权后的差分信号的能量为准则来编码。 3 1g 7 2 9 标准： g 7 2 9 的码率比较低，算法也比较复杂，采用的是共轭结构代数( c s a ) ，算 法与c e l p 算法基本一致，音质在同档次速率中是最优秀的，将用于第三代移动 电话系统，目前也广泛应用于口电话系统中。以上三种标准是i p 电话中语音编 解码的最重要的标准，但是语音编解码还有许多其它的应用标准。它们的各项性 能指标及对比见表2 1 ： 表2 1 各种语音编解码标准的性能比较 标准编码类型 比特( k b p s ) m o s复杂性 时延( m s ) g 7 1 1p c m 6 44 3l0 1 2 5 g 7 2 6a d p c m3 2 4 01 00 1 2 5 g 7 2 8l d c e l p 1 64 0 5 00 6 2 5 g s mr a e 岍 1 33 752 0 g 7 2 9 c s a ，c e l p84 o3 01 5 g 7 2 3 1 a c e l p6 33 8 2 5 3 7 5 u s d o dl p c 1 02 1 4合成语音1 02 2 5 2 2 3v o i p 中的信令控制协议 v o i p 电话基于网络，而网络控制信令是网络通信的基础，世界上提出的第一 个l p 电话协议是h 3 2 3 协议。随着多媒体和碑电话业务的发展，多种口电话 协议相继产生，除了h t 3 2 3 协议外，又出现了s i p 协议、n c s 协议等。其中h - 3 2 3 以其成熟的技术在目前已经被广泛使用。而s i p 则被认为更加适合n g n 的需求 得到了极大的关注。所以下面将着重介绍s i p 协议，并把s m 协议与h 3 2 3 协议 进行比较。 2 2 3 1s l p 信令控制协议 8 第二章、，o i p 系统概述 正t f 组织于1 9 9 9 年提出了一个在基于i p 网络中，特别是在i n t 啪e t 这样 一种结构的网络环境中实现实时通信的一种信令协议，即s i p 。它的设计思想是 基于h l t c m e t 并且面向n g n 网络1 8 】。会话初始协议：是指一种在i p 网络上进行 多媒体通信的应用层协议。它是一个信令协议。其作用在于建立、修改、释放多 媒体会话。当会话的一端向会话的另一端发出建立多媒体会话的邀请时，必须在 s 口的邀请消息中给出描述会话特征的信息。对于s i p 而占，通常情况下采用 r t p 作为多媒体信息流的传输协议。在i p 网络中，s 口消息的传输路径和多媒 体会话指定的多媒体信息流的传输路径是相互独立的。如图2 3 所示。这种独立 性使得用于控制多媒体会话的s m 消息可以经过一个或多个代理服务器或重定位 服务器进行转发，而多媒体信息流可以直接在会话的两个端点之间进行传输。s l p 的优点有；简单、灵活很容易增加新业务、扩展性强、具备终端能力检测和在线 检测，支持移动性组播能力。 图2 - 3s i p 信令的独立传输 2 2 3 2h 3 2 3 和s i p 的比较 h 。3 2 3 和s i p 分别是通信领域与i n t e r n e t 两大阵营推出的协议，h 3 2 3 企图 把i p 电话当做是众所周知的传统电话，只是传输方式发生了改变，由电路交换变 成了分组交换，是以l a n 上语音的应用为出发点逐步完善的。而s l p 系统则着 艰于i n t e m e t 上语音的应用，采用了i n t e m e t 中广为使用的c 裕模型。较其他应 用( 如f l t 、e m a i l 等) 增加了信令和q o s 的要求。它们支持的业务基本相同，也 都是利用r t p 作为媒体传输的协议。下面对二者的不同之处作一个比较。 1 1 协议功能和支持业务： 在基本的呼叫业务上，s i p 和h - 3 2 3 都支持媒体流能力交换和丰富的补充业 务，如呼叫等待( c a l lw a i t i n g ) 、呼叫转移( c a l lt r a n s f e r ) 、呼叫保持( c a l lh o l d ) 、 三方会议( 3 - w a yc o n f e r e n c e ) 等。就此而言，两者功能相同，只是补充业务的实 9 电子科技人学硕+ 学位论文 现方法不一样。h 3 2 3 中定义了专门的协议用于补充业务，如h 4 5 0 1 、h 4 5 0 2 、 和h 4 5 0 3 等。s i p 协议中没有专门定义的协议用于此目的，但它能很方便的支 持补充业务或智能业务。只要充分利用s i p 已定义的头域，并对s i p 进行简单的 扩展，就可以实现这些业务。 在支持会议电话方面，h 3 2 3 由于由多点控制单元( m c u ) 集中执行会议控 制功能，因而所有参加会议终端都向m c u 发送控制信息，m c u 可能会成为瓶 颈。并且h 3 2 3 不支持信令的组播功能，其单一功能限制了可扩展性。丽s 口分 布式的呼叫模型，具有组播功能，不仅便于会议控制，而且简化了用户定位、组 群邀请等功能的实现。 同时s i p 支持第三方控制，即呼叫请求方并不参与呼叫，可以由呼叫方在请 求消息中通知被叫，它的消息直接发送到另一方，这样实现第三方控制。而h 3 2 3 不具有该功能。 复杂性： h 3 2 3 是一个相当复杂的协议族，协议本身( 不包括a s n 1 规范和p e r ) 已经多达7 0 0 多页，定义了几百种的信息单元。而s i p 才1 0 0 多页，仅有3 7 个 头部字段( 3 2 个基本功能，5 个呼叫控制扩展) ，却包含丰富的信息。基本i p 电 话只需用到4 个头部字段f r o 、f 幻m 、c a l l - i d 和c s e q ) 和3 个请求方法( 1 n v i t e 、 a c k 和b y 勘。 h 3 2 3 协议使用基于a s n 1 和压缩规则的二进制数据表示其消息。需要特殊 的代码生成器才能实现词法和语法的解析；s i p 基于文本编码，这意味着头域的含 义是一目了然的。其报文的产生和编码简单，可读性好，易于i p 电话相关协议的 实现和修改。s i p 的消息体部分采用s d p ( 类似于h 2 4 5 ) 进行描述，s d p 中的 每一项格式也比较简单。 在h 3 2 3 中，呼叫建立过程涉及第三条信令信道：r a s 信令信道、呼叫信令 信道和h 2 4 5 控制信道。通过这三条信道的协调才使得h 3 2 3 的呼叫得以进行， 呼叫建立的时间很长。而在s i p 中，会话请求过程和媒体协商过程等一起进行。 只需要1 5 个回路时延来建立呼叫，所用时问要少的多。 h 3 2 3 的呼叫信令通道和h 2 4 5 控制信道需要可靠的传输协议，如t c p 。这 对传输质量要求高。s l p 独立于底层协议，一般使用u d p 等无连接的协议，用高 层的可靠性机制来保证消息的可靠传输。对传输质量要求不严格。 可扩展性： 1 0 第二章v b i p 系统概述 h 3 2 3 的扩充是通过在a s n 1 的相应位置设置“非标准参数”( n o n s t a n d a r d p a 舢) 字段实现的。这种扩充有其局限性：首先，扩充限于a s n 1 中增加了非 标准参数的位置。其次，h 3 2 3 终端无法告知对方它能支持哪些扩充性能。h 3 2 3 采用电信网信令的通常概念，要求新的版本具有完全的后向兼容性，这样使协议 消息越来越复杂。另外h 1 3 2 3 要求网闸( 相当于s 1 p 网络中的服务器) 在整个呼 叫期间保持呼叫状态，需要处理的工作量大。这些都决定了h 3 2 3 有限的扩展性。 s i p 协议简单，采用文本方式，因此具有更好的功能扩充性，并易于实现。协 议的扩充主要是在消息上，消息的三个基本部分：消息类型、消怠头、消息体都 可以被不断扩充已实现新的功能。 s i p 能支持多域搜索，它通过、，i a 字段和b g p 中使用的环路检测算法，有 效地发现请求前向传送中的可能环路，无需中间服务器来保存消息和状态。 s l p 协议易于与其它服务集成，简单、灵活并与现有的i i l t e m e t 应用紧密结 合；在设计上充分考虑了对其他协议的扩展适应性。s i p 协议天然具有对移动性的 支持，其动态注册机制使得系统具有强大的用户定位功能。 二者的各项性能对比见表2 2 ； 表2 - 2h 3 2 3 和s l p 性能比较 协议h 3 2 3s i p 复杂度高低 可扩展性差好 可扩充性差好 交互性 好 一般 定义范同广有限 成熟度 高 低 成本高低 通过以上的比较和论证，可以看出s i p 协议是专为i p 上的多媒体通信设计 的。相比之下它比h 3 2 3 协议更加简单，也更加便于系统扩展。对于多媒体互联 设备要求使用简单方便，具有一定的可靠性的局域网和支持多播的宽带网或i p v 6 网络话音通信系统，采用结构简单、使用方便的s i p 协议是最好的。s i p 比h 3 2 3 具有更高的功能性和增长潜力，h 3 2 3 的体系架构并不适合未来的网络。 电子科技人学颈+ 学位论文 第三章嵌入式操作系统e c 0 s 嵌入式操作系统e c o s 是该v o i p 语音终端所采用的操作系统，其最大特点是 具有强大灵活的可配置性。可根据终端的具体要求进行裁剪。上层软件以及驱动 的开发是基于e ( 蕊操作系统的。本章将介绍c c 砖的机构。以及如何建立e g o s 操 作系统的交叉开发环境。 3 1e c 0 s 的概述 e c o s ( e m b e d d e dc o 娟g i l r a b l eo p c r a t i n gs y s t c m ) 嵌入式可配置操作系统，是一个 开放源代码、无版权限制、遵循g p l 协议的适合于深度嵌入式应用的实时操作系 统。其主要应用对象包括消费电子、电讯、车载设备、手持设备以及其他一些低 成本和便携式应用。 e c 瓠最为显著的特点是它的可配置性、可裁剪性、可移植性和实时性，它的 一个主要技术创新是其功能强大的配置系统，可以在源码级实现对系统的配置和 裁剪。e c o s 的内核代码量很小，通常为几十到几百k b 。其最小配置形式是它的硬 件抽象层h a l 所提供的引导程序r e d b o o t ，支持许多体系架构的不同处理器和平 台。它的最大配置形式是一个功能完整的实时操作系统，所提供的服务和支持能 与其他商用实时操作系统相媲美1 6 j 。 e c 髓出生于1 9 9 7 年，由c y g i l u s 公司所开发。后来c y g i l u ss o l u t i o n 被r e d h a t 收购，e c 成为r e d h a t 嵌入式产品，现在最新版本是e c 0 s2 0 。相对其他的系统 来说是非常年轻的。也正是因为出身的晚，所以在设计理念上面是比较新颖的。它 是一个由专门设计嵌入式系统的工作组设计的针对1 6 位、3 2 位和6 4 位处理器的 可移植开放源代码的嵌入式r ，i d s 。 3 2e c o s 的可配置- 陛 e c o s 在嵌入式软件方面最具创新意义的贡献是它的配置结构和配置方法m 。 以往，大多数嵌入式系统的开发需要开发人员自己对应用进行适当的调整和改变 来适应底层的操作系统，但e c o s 改变了这种情况。e c o s 为开发人员提供了大范围 1 2 第二章嵌入式操作系统e c o s 的可选项来对底层操作系统进行配置，使其能够更好地满足应用的需求，这样就 变成了调整操作系统来适应应用。当前，e c o s 提供了2 0 0 多个配罨选项，典型的 配置选项包括调度器的类型和任务优先级别数目等。目前，已经有一些软件公司 正在借鉴e c o s 的这种配置方式。 3 2 1 配置的必要性 在了解c c o s 结构时，首先必须对构成e c 硒系统的组件框架( c o m p o n e n t f r a m 删o r k ) 有所了解。e c 0 s 组件框架的主要目的是为了满足嵌入式系统的设计需 求，它是对系统进行配置的一个主要途径。通过组件框架的使用，可以利用具有 可重用性的软件组件和软件模块来建造具有众多功能的应用。e c o s 的组件框架可 以用来对组件进行控制，减少对内存的使用。它还允许用户对与时间相关的行为 进行控制，从而满足实时系统的需要。采用组件框架后，用户在编程时可以使用 普通的编程语言，包括c 、c + + 以及汇编语言( 硬件抽象层中的某些功能的实现必 须使用汇编语言) 。 目前大多数的嵌入式系统软件都有可能包含了在具体应用中不会被使用