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i p 电话技术研究及其实现 摘要 随着宽带移动通信网和i n t e m e t 技术的发展，i p 技术以其价格低 廉、应用丰富、组网简单的特点，得到了迅猛的发展，目前已成为数据 和语音通信中最有竞争力的技术之一。现阶段，我国电信正处于快速发 展时期，i p 电话具有巨大的发展空间；同时，家庭网络的兴起也需要 v o l p 技术的支持，因而研究i p 电话技术具有重要的现实意义。 在充分分析i p 电话工作原理、组成结构和发展现状的基础上，论 文提出一种基于局域网的、以语音通信为主、兼有数据传输的i p 电话 终端方案。其语音处理核心是一片专用低速率语音压缩编解码d s p 芯 片c t 8 0 2 0 ，通过具有u s b 接口的微处理器e z u s b 芯片a n 2 1 3 1 q c 进行控制，使用以太网控制芯片r t l 8 0 1 9 a s 连接局域网，并配有p c m 编解码芯片、键盘、l c d 显示屏、射频接口等外围部件。在论文的研究 工作中，解决了i p 电话相关的关键技术，完成了语音i p 包在局域网内 的高质量传输，实现了在局域网内部进行语音传输的i p 电话终端。该 终端的主要特性有：采用u s b 接口从主机下载固件，升级方便，容易调 试；以1 0 b a s e t 连接以太网，支持t c p i p 、u d p 协议；符合简化的s i p 信令标准；可支持g 7 2 3 1 5 3 k b p s 、g 7 2 3 1 6 4 k b p s 等多种语音编码方 式：支持双向回音消除功能；支持自动静音检测舒适噪音生成功能。 最后，论文对无线i p 电话进行了研究和设计。提出了无线i p 电话 的解决方案，选择以n r f 2 4 0 1 射频收发芯片为核心的射频模块完成无线 数据传输，采用本实验室已研制成功的无线a p 连接局域网，实现了简 单的无线i p 电话终端。 关键词：i p 电话终端e z u s b局域网s i p 协议射频模块 a b s t r a cr r e s e a r c ha n dp r a c t i c e0 f i pp h ( ) n et e c h n o l o g y a b s t r a c t w h e nt h ed e v e l o p m e n t so fb r o a d b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a n di n t e m e tg o e so n ，i pt e c h n o l o g yi s q u i c k l yd e v e l o p i n gb e c a u s eo fi t s l o w - c o s t ，a b u n d a n ta p p l i c a t i o n sa n de a s yo r g a n i z a t i o n ，t o o i pt e c h n o l o g y h a sb e e n t u r n i n gi n t oo n e o ft h em o s t c o m p e t i t i v et e c h n o l o g yi nt h ea r e ao f d a t aa n ds p e e c hc o m m u n i c a t i o n s i nn o w a d a y s ，t e l e c o m m u n i c a t i o n sa r ei n t h ep e r i o do fq u i c kd e v e l o p m e n t ，s ot h e r eh a sh u g es p a c et o d e v e l o pi p p h o n e a tt h es a m et i m e ，t h ee v o l u t i o no f h o m en e t w o r kn e e d st h eh e l po f v o i pt e c h n o l o g y o b v i o u s l y , r e s e a r c ho fi pp h o n eh a si m p o r t a n tp r a c t i c a l m e a n i n g s t h es c h e m ef o ri pp h o n et e r m i n a li sr a i s e di nt h et h e s i sa f t e rt h e p r i n c i p l e ，s t r u c t u r ea n dp r e s e n ts t a t eo f i pp h o n ea r es u f f i c i e n t l ya n a l y z e d ， w h i c hi sb a s e do nl a na n dc a nt r a n s m i tb o t hs p e e c ha n dd a t a i nt h e s c h e m e ，t h ec o r eo fs p e e c hp r o c e s s i n gi sas p e c i a lc o d i n ga n dd e c o d i n g d s p c h i pc t 8 0 2 0w i t hl o wd a t ar a t e f o rc o m p r e s s i n gs p e e c h t h ec t 8 0 2 0i s c o n t r o l l e db ya n 2 1 3 1 q c ，w h i c hi s am i c r o p r o c e s s o re z - u s bc h i p 、i m u s bi n t e r f a c e t h e ni ti sc o n n e c t e dt ol a n b y t h ee t h e m e t c o n t r o l l i n gc h i p ， a tt h es a m et i m e ，t h e p e r i p h e r a le q u i p m e n ta r ee q u i p p e d ，s u c ha sp c m c o d i n ga n dd e c o d i n gc h i p ，k e y b o a r d ，l c dd i s p l a ya n d r f i n t e r f a c e d u r i n g t h er e s e a r c hw o r k ，t h et r a n s m i s s i o no f s p e e c h i pp a c k a g ew i t hh i 曲q u a l i t y i nl a ni s a c c o m p l i s h e df i r s t l y b e c a u s eo ft h es o l u t i o no ft h e k e y t e c h n o l o g yo fi pp h o n e ，a n dt h ei pp h o n et e r m i n a lw i t ht r a n s m i s s i o no f s p e e c hi nl a n i sa c h i e v e da tl a s t t h ep r i m a r yf e a t u r e so ft h et e r m i n a l i n c l u d e s ：e a s y t o u p g r a d e b e c a u s eo fd o w n l o a d i n gf i r m w a r ef r o mh o s t c o m p u t e rb yu s bi n t e r f a c e ，a n de a s yt od e b u g ；c o m p l i a n tt o e t h e m e tb y 10 b a s e t c o n n e c t i o n ，s u p p o r t st c p i p a n d u d p ；u p t os i m p l es i ps i g n a l i n g h 北京邮电大学f i ；j 士学位论文 i p 【邑瞒技术研究及j 实脱 s t a n d a r d ；s u p p o r t sg 7 2 3 1 5 3 k b p s ，g 7 2 3 1 6 4 k b p sa n ds o m eo t h e rs p e e c h c o d i n gm e t h o d s ；s u p p o r t sf u n c t i o no fa c o u s t i ce c h oc a n c e l l a t i o n ；s u p p o r t s f u n c t i o n so fa u t o m a t i c s i l e n tv o i c ed e t e c t i o na n dc o m f o r t a b l e n o i s e p r o d u c i n g t h ew i r e l e s si pp h o n et e c h n o l o g yi ss t u d i e da n dd e s i g n e da tt h el a s t p a r t o ft h et h e s i s aw i r e l e s si p p h o n es o l u t i o n i sr a i s e d i nw h i c ht h e w i r e l e s sd a t ai st r a n s m i t t e db yt h en r f 2 4 0 1r fm o d u l e a n daw i r e l e s sa p i s a d o p t e dt o c o n n e c tl a n ，t h e nas i m p l ew i r e l e s si pp h o n et e r m i n a li s a c h i e v e d k e yw o r d s ：i p p h o n e t e r m i n a le z u s bl a ns i p p r o t o c o l r f m o d u l e 独创性( 或创新性) ，茸明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导f 进行的研究i 作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致| 胄f 中所罗列的内容以外论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学歧其他教育机构的学位或证 5 而使川过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已庄论文中作了明确的说明并表示丁谢 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名蔓延日期：删j 1 1 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位沦文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 至堕 彤捌嘧 一 目期：弦盯、3 、u 日期：盈比口；： 北京邮电大学颐七学位论文p 电话技术研究及e 实现 1 1 引言 第一章绪论 通信网有两种制式：连接式和无连接式。对于前者，用户在呼叫经确认后被赋 子条信道，直至通信结束才拆除。在这个阶段不管有无信号，该信道始终被此用 户占用。连接式通信网以传统电话和数据网为代表，是人们从1 8 世纪就使用的技 术。在后者，用户并不占用独自一条信道，只在有信号发出时才占用，无信号时其 他有户可以使用此信道。这种技术称为统计复用，以i n t e m e t 网为代表，是随计算 机技术发展、在2 0 世纪才发明并蓬勃发展的技术。 i n t e m e t 的出现是为了更好地解决数据传输的问题，从1 9 6 9 年a r p a n e t 网络 到现在全世界范围的i n t e m e t 网络，数据传输一直是其主要的业务。数据传输具有 流量变化不均匀、突发性和非实时性的特点。数据在传输和交换过程中，要使用不 同的网络接口和不同的传输速率，传统电话采用的电路交换技术无法很好的满足这 一新业务的需求。i p 网络采用的分组交换技术对完整的数据进行分组，将数据分成 一定长度的片断，在每个片断的头部加入源地址、目的地址、序列号、校验码等分 组信息，形成一个一个的i p 数据包，在传输中，通过分组信息，选择合适的传输 链路从一个节点传输到下一个节点，直至目的节点。在每个节点根据网络状况选择 合适的存储时间，以保证数据的生存。这种基于分组交换和存储转发的机制很好地 解决了数据传输问题，提高了传输电路的利用效率。从2 0 世纪9 0 年代初开始，国 际互联网从最初的简单数据传输应用，发展到以t c p i p 协议为基础，以各种应用 层协l 义为依托，能承载数据、语音、图象和传真等多媒体业务，覆盖各个国家、地 区和部门的庞大计算机互联网络。网络技术的飞速发展，网络协议的日趋完善，网 络带宽的迅速增长，带来互联网用户的几何级数增长。各种语音、图像压缩和编解 码技术也推波助澜，一种基于互联网，采用分组交换技术，融合语音、数据、图像 等多种业务，覆盖全世界范围的新一代网络迅速发展起来。i p 电话是这种技术大融 合下优先解决的一个产物。 随着i n t e m e t 的成功应用，i p 技术以其价格低廉、应用丰富、组网简单的优势 渐渐成为骨干网络的支撑技术。为了顺应这种潮流，全i p 的核心网解决方案已经 提出，具有以下优点：i p 技术可以作为一个公共的平台，对各种接入方式都可以提 供无缝的业务环境；全口体系结构能够提供一种同时包括语音、数据和高实时业 务在内的多媒体业务的高效解决方案；通过支持i p 客户机的移动终端，可充分利 用i n t e m e t 的应用优势。此外，a d s l 、c a b l em o d e m 等宽带接入技术的迅速发展， 使人们在家里可以享受到越来越多的互联网服务。网络应用的普及以及各种信息家 电的产生都使得在家庭内部对互联网的访问不再局限于以前的单个p c ，因此，每个 家庭都将面临着如何在家庭内部传送互联网宽带业务以及如何将各种信息家电连 接起来的问题。基于此，一种新的网络和新的概念家庭网络应运而生。 当前构造家庭网络的众多技术可大体分为有线与无线两类。在无线方面，目前 主要有三种技术：w l 州( i e e e 8 0 2 1 l 系列协议) 、h o m e r f 和蓝牙( b l u e t o o t h ) 技 术。由于无线方式具有灵活性和便捷性等优点，已成为构建家庭网络的主流技术。 实现家庭网络的各项业务，关键是家庭网的i p 化和无线化，因此无线v o i p ( 基于 i p 的语音传输) 已成为焦点技术。近些年，随着宽带移动通信网和i p 技术的成熟 和发展，i p 电话以其经济、高效和超时代的特点，得到了迅猛的发展，由于它符 合未来三网舍一的发展方向，目前已成为数据和语音通信中最有竞争力的技术之 1 2 i p 电话的现状和发展趋势 从客户端软件i n t e m e t p h o n e 的应用而产生的第一代i p 电话至今，它已经经历 了四代演变，前三代的i p 电话都是通过i p 电话软件在i n t e m e t 上实现双方事先约 定好的通话；第四代i p 电话又称为网关电话，它将硬件和软件相结合，真正实现 了v 0 i p ，使i p 电话技术得到了真正广泛的应用，实现了异种网络间的通信。 1 2 1 【p 电话的发展现状 i p 电话诞生于美国。1 9 9 5 年微软公司推出了网络会议软件n e t m e e t i n g ，同时 v o c a l t e c 公司也推出了网络电话软件。安装这些软件后，只需要再给电脑配上音响 和麦克风并连上网，就可以和网络上另端的任何人进行交谈，这就是最初的i p 电话。1 9 9 6 年夏天，美国i d t 公司的n e t 2 p h o n e 软件可以通过互联网蛊接拨通他人 的电话，并按分钟收费，成为最早的商用1 p 电话，使m 电话得到了极大的发展。 之后，美国和世界上许多著名网络设备制造商、i s p 和传统的电信设备制造商及运 营商都在密切关注l p 电话的发展，各种协议和标准不断出现，为1 p 电话的迸一步 发展奠定了坚实的基础。 1 9 9 7 年5 胃，i p 电话的h 3 2 3 标准开始得到应用，这成为i p 电话发展的里程 碑。统一的标准为不同厂商的产品提供了互通的可能，也进一步消除了业务运营商 的顾虑，促进了口电话的快速发展。面向用户的i p 电话机被开发出来。用户可以 通过专用的p 电话机或者普通电话机即可使用i p 电话服务。随着各种i p 电话技术 的迅速发展，i d t 公司、q w e s t 公司等一些电信服务商开始提供电话到电话的i p 电 北京邮电人掌蛳i 学位论立 信服务，它们采用自己铺设的宽带i p 骨干网络传送语音数据，使语音的质量被提 高到能和传统电话相媲美的地步；而且这种方式只需普通的电话机就可以使用i p 电话业务，非常经济方便，成为当前使用最多的i p 电话服务方式。 i p 电话技术和业务在美国取得了快速的发展，积累了丰富的经验。世界各国 反应积极，纷纷发展i p 电话业务。自1 9 9 9 年4 月开始，中国开始进行i p 电话试验， 最先开通i p 电话试验的包括中国电信、中国联通和中国吉通，中国网通从1 9 9 9 年 8 月成立后，并于同年1 0 月开通了i p 电话试验网。2 0 0 0 年4 月1 日中国正式开通 i p 电话业务，现在有中国电信、中国联通、吉通、网通、中国移动和铁通六家i p 电话运营商，获得i p 电话经营许可的中国卫星集团尚未开通该业务。i p 电话的兴 起使电信运营市场产生了深远的变革。传统电话是各国控制较严格的业务，但对i p 电话各国大都采用较为宽容或扶持的态度；同时，在保证网络互连互通的基础上， 和投资建设一个骨干的长途电话网相比，构建一个i p 电话业务网络的投资规模是 很小的，这样使不少非电信企业进入电信运营市场，这些新型电信企业获得了难得 的机遇。如美国的q u e s t 、l e v e l 3 ，中国的网通和吉通，它们通过经营i p 电话进入 了壁垒较高的电信运营市场，从经营i p 业务的企业转变为电信运营商。 自2 0 0 0 年4 月正式开通以来，我国i p 电话发展保持较高的发展速度。电信 资费进行了结构性调整后，i p 电话也相应地进行了价格调整，虽然减少了与普通固 定电话的价格优势，但其价格优势仍然较为明显。i p 电话对长途电话的分流与冲击， 使在我国长途电话业务市场形成了实际上的多元化竞争格局。虽然各运营商的业务 体系不尽相同，但在i p 电话业务方面，各自都推出相近的整体方案。事实上，i p 电话业务的引入，使我国传统话音业务市场出现了激烈的竞争，打破了电信话音业 务市场由中国电信垄断的局面。 1 2 2i p 电话的发展趋势 i p 电话是计算机网络和通信技术发展的必然产物，并随着网络和通信技术的 发展而演变。p 电话在与传统p s t n 电话的竞争中不断地发展壮大，同时也促进了 传统p s t n 业务朝着多样化的方向发展。互联网上承载的业务正朝着多媒体综合业 务的方向演变。融合各种业务如p s t n 电话、传真、数据、i p 语音、视频图像等传 统业务和新业务的综合网络平台下一代互联网络n g n 正在孕育之中。下一代 网络必然是以现有的计算机互联网为基础，融合各种传统的电信网络，提供综合业 务的综合网络。现有的电信业务也必然要以此网络为支撑，语音分组交换技术成为 必然的选择。 传统的基于t d m 电路交换技术的p s t n 电话网，虽然可以提供6 4 k b p s 的业 务，但业务和控制都是由交换机来完成的。这种技术虽然能够保证优良的语音品质， 举一常埔| 但在通信的过程中，所分配的电路资源被通信的双方独占，电路的利用率很低；其 次，整个网络的构造并没有考虑到多媒体的通信要求，对新业务的提供需要较长的 周期，面对日益竞争的市场显得力不从心。而随着数据网的迅速发展，人们除了在 其上传输数据业务外，也开始尝试传输语音等传统p s t n 业务，特别是h 3 2 3 | 办议 的推出，使得i p 电话业务开始大展手脚。与传统电话相比，分组网传送语音具有 成本低、网络利用率高等优势，采用分组交换技术取代传统的电路交换，形成可以 提供语音、数据、视频综合业务的新一代电信网络已经得到众多电信运营商的青睐， 建设下一代网络将成为新的发展趋势。特别是对于新兴的运营商，通过使用分组交 换技术建设新一代网络可以提供低成本、多业务的服务，降低进入市场的门槛。 但是，目前的i p 电话网络并未达到电信级的要求，例如存在缺乏控制、无法 保证服务质量、标准不统一、提供增值业务困难等问题。为此传统的交换机厂商和 数据设备商都在自己的技术基础上提出了不同的解决方案。目前，组建“软交换” 模式的网络是一个具有非常强大优势的解决方案。软交换模式将传统的p s t n 网络 与i p 网络相结合，采用“业务与呼叫控制分离、呼叫控制与承载分离”的思路， 充分利用了传统电信集中控制与数据业务网络资源利用率高的优点，再加上提供开 放的增值业务接口，使得网络既可控、可管，又可提供更多的业务。因此，软交换 技术将成为下一代网络的核心，构建软交换模式的网络成为i p 电话的未来发展方 向。 i p 电话虽然在我国取得了飞速的发展，但仍有巨大的发展空间，同时我国电 信又处于快速发展时期，i p 市话、i p 传真等新的增值业务的开展也为i p 电话的发 展提供了空间。目前，我国网络的基础建设相对较弱，尚有较大的发展空间，网络 发展了，必然带来业务的需求。国内厂商虽没能夺得i p 电话骨干网的建设权，但 并没有失去机会，通过与运营商的技术合作，学习国外产品的先进经验，密切关注 城域网的发展，研究软交换技术和宽带接入技术企业级i p 电话网关、网守技术 以及i p 电话终端技术，就可以为企业和家庭用户提供全面的i p 电话及增值业务解 决方案。可以利用身处国内、了解市场和已有的完善的销售及服务体系，增强和国 外厂商的竞争能力，力争在未来的口电话市场中成为主角。 1 3 论文所做的工作 本论文的研究着限于第四代i p 电话的关键技术，重点研究无线i p 电话终端设 备的设计和实现。具体工作有： ( 1 ) 收集和阅读i p 电话的资料，进行系统方案的优化设计。 ( 2 ) 收集和研究专用芯片的性能和价格，比较他们的性价比和获得的条件。 ( 3 ) u s b 接口的设计与实现。 4 北京邮电大学顶： 学位论立i pl 乜l 雨技术研究灶j c 实地 ( 4 ) 基于局域网的i p 电话的实现。 ( 5 ) 射频模块的研究与实现。 在先前的实验室工作中，本人与金朝、粱洪琨、马春鸣等同学合作，共同设计 并制作了基于e z u s b 的无线网卡和无线a p ，了解和掌握了包括u s b 接口的设计 与编程、r t l 8 0 1 9 a s 网络控制器的应用、t c p f i p 协议的结构及其实现、r f 收发模 块应用等多方面的知识。在完成开题报告后，在导师胡健拣教授的精心指导下，通 过阅读大量中外文资料和文献，结合已经积累的相关经验，确定了基于局域网的i p 电话终端解决方案：设计完成了原理图并制作p c b 板；完成了系统软硬件的总体 调试。解决了i p 电话相关的关键技术，完成了语音i p 包在局域网内的高质量传输， 最终实现了在局域网内部进行语音传输的i p 电话终端。在此基础上还对i p 电话的 无线化进行了研究和设计。 第二章i pt 乜话系统结 句技其关键技术 第二章i p 电话系统结构及其关键技术 2 1 i p 电话的原理与系统结构 2 1 1 i p 电话的基本原理 从技术角度来看，i p 电话( 或者v o i p ) 是指：在整个语音通信过程中，部分 或全程采用分组交换技术，通过i p 网络来进行的语音传输都称之为l p 电话。所以 i p 电话的本质特征在于分组交换技术。分组交换技术是i n t e m e t 采用的体系结构， 其核心是将要传输的数据报文分成长度较短且具有标准格式的分组，并采用存储转 发机制，有效降低数据传输过程中的网络时延，满足数据传输和交换的要求。i p 电 话网络也采用相同的技术，它是建立在i p 技术上的分组化、数字化传输技术，其 基本原理是：把普通电话的模拟信号转变为数字语音信号，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i p 等相关协议进行打包，通过 i p 网络把数据传输到目的接收端，再把这些语音数据包重新装配，经过解码解压处 理后，恢复成原来的模拟语音信号，从而达到用i p 网络进行语音通信的目的。 2 1 2i p 电话的系统结构 由于i p 电话是i p 网络上的语音应用业务，所以i p 电话系统是由多个网络组 件构成的，主要包括：终端设备( t e r m i n a l ) 、网关( g a t e w a y ) 、网守( g a t e k e e p e r ) 和网管服务器及计费服务器。其典型的基本结构如下图所示。 6 北京邮电大学碰士学位论文 p 电i 再技术研宄及硅实观 计算机 图2 - 1i p 电话系统结构 ( 1 ) p 电话终端设备 终端设备是面向用户连接i n t e r n e t 网络、为用户提供语音通信功能的用户端设 备，包括普通终端和i p 终端两大类。普通终端只有模拟语音信号的处理能力，如 传统的电话机，在i p 语音通信中，只作模拟信号的收发传输；i p 终端不但具有模 拟语音信号处理的能力，同时具有i p 网络语音数据包的收发转换和处理能力，它 是i p 电话系统的重要组成部分，亦是本论文研究的重点。 由于i p 电话是一个在相对开放的网络环境中提供的语音通信业务，具有开放 性和很大的灵活性，它不同于传统电信网络的封闭式结构和协议。开放的环境引来 众多厂商积极参与研究和开发。目前，i p 电话采用的协议和实现方案可谓五花八门， 其终端产品种类更是多种多样。狃电话终端，根据其使用平台的不同，可分为硬终 端和软终端；根据其使用的传输线路的不同，可分为局域网i p 电话终端、i n t e m e ti p 电话终端、a d s li p 电话终端、s d hi p 电话终端、a t mi p 电话终端及c a t vi p 电 话终端：根据其在网络中位置的不同，可分为用户终端、i p 电话集线器和媒体网关； 根据其采用的主要协议的不同，i p 电话可分为h 3 2 3 、s i p 和m g c p 终端。目前有 多家半导体公司致力于v o l p 的研究，t i 、富士通、z i l o g 等均推出了一系列的口电 话解决方案，包括最新的i p 网关或者i p 电话专用芯片以及相应的嵌入式软件系统。 ( 2 ) i p 电话网关 i p 电话网关是连接i p 网络和p s t n ，实现p s t n i p p s t n 语音通信的关键 设备，也是提供低廉长途语音通信业务的基础。网关可以支持多种电话线路，包括 第二章i p b 话系统结杠j 度e 关越技术 模拟电话线、数字中继线和p b x 连接线路，并提供语音编码、压缩、呼叫控制、 信令转换等功能ai p 电话网关采用了分层模块化结构，可以分为硬件层、软件模块 层、维护管理层、控制接口层等几个部分。 在电信运营商提供的p s t n i p p s t n 业务中，主叫电话经本地p s t n 连接 本地网关，网关对语音信号进行压缩、分组和一些保障服务质量的处理，然后通过 i p 网络连接到对端网关，对端网关完成i p 语音包重组和解压缩，转变为模拟语音 信号，再经本地p s t n 连接到被叫电话，用户在打长途电话时只缴纳本地电话费和 上网费，从而大大节省了费用。由于不同种类的终端产生的数据源结构是不同的， 要在同一个网络上传输，这就要由网关或者是通过一个适配器进行数据转换，形成 统一的i p 数据包。i p 电话网关提供i p 网络和电话网之间的接口，用户通过p s t n 本地环路连接到i p 网络的网关，网关负责把模拟信号转换为数字信号并压缩打包， 成为可以在i p 网上传输的i p 分组语音信号，然后通过i p 网传送到被叫用户的网关 端，由被叫端的网关对i p 数据包进行解包、解压和解码，还原为可被识别的模拟 语音信号，再通过p s t n 传到被叫方的终端。这样就完成了一个完整的电话到电话 的i p 电话的通信过程。 i p 网关包括语音接口卡以及一套功能齐备的呼叫软件，类似于网络接口卡。 每个i p 网关都有一个i p 地址，需要和i p 电话终端一样在网守中注册登记。软件的 功能包括系统配置、呼叫管理、呼叫建立和终止、语音支持、路由器和广域网优先 协议以及内嵌的s n m p 网络管理。i p 网关还具有路由管理功能，它把各地区电话区 号映射为相应的地区网关口地址。这些信息存放在一个数据库中，有关处理软件 可完成呼叫处理、数字语音打包、路由管理等功能。在用户拨打i p 电话时，i p 网 关根据电话区号的数据库资料，确定相应网关的i p 地址，并将此i p 地址加入到i p 数据包中，同时选择最佳路由，以减少传输时延。i p 数据包经i p 网到达目的i p 电 话网关，对于i p 网未延伸到或暂时未设立网关的地区，可设置路由，由最近的网 关通过长途电话网转接，实现通信业务。 ( 3 ) i p 电话网守 网守是多点i p 电话系统组成的主要组件，相当于网络中的智能集线器，它把 各个终端及网关智能地结合在一起，进行统一的管理、维护、配置和开发。网守具 有呼叫控制、地址翻译、带宽管理、拨号计划管理、网络管理和维护、数据库管理 和集中化帐务及计费管理功能。 网守是整个i p 电话网络的中心，担负着网络管理的任务。网守提供的管理功 能有拨号方案管理、安全性管理、集中帐务管理、数据库管理和备份、网络管理等a 网管系统的功能是管理整个i p 电话系统，包括设备的控制及配置、数据配给、拨 号方案管理、负载均衡及远程监控等。计费系统的功能是对用户的呼叫进行费用计 北京邮电大学顺：匕学位论文i p 电话技术研究及其实现 算，并提供相应的单据和统计报表。网络管理包括自动生成网络各个设备的连接和 运行状态保管，同时向网络管理人员提供各种事件的曰志，以便运行和维护人员及 时查找问题，排除故障。网络管理可以对网络性能进行动态分析、流量控制和错误 检测。可以对网络进行远程控制和管理，设备的配置、参数的修改。此外，网守应 能自动生成呼叫详细记录日志，并保证系统所有的呼叫信息集中存放在一个地方， 以方便计费。网守还要为第三方计费系统和客户管理系统提供开放的接口。 ( 4 ) i p 电话网管、计费及增值业务服务器 管理服务器( n m ) 是为网络管理人员提供的一种管理工具，采用开放式结构。 i p 电话的网络管理人员可以通过它对各种组件进行管理。管理的功能包括设备控 制、参数配置、端口配置、状态监测、拨号方案设置、负载均衡、鉴权及安全管理 等。计费服务器主要是利用网守提供的标准及开放的数据接口，收集用户每一次呼 叫产生的详细记录并上传到本地数据库，形成计费信息。通过对计费信息的整理， 自动生成计费清单并为用户提供收费单据。除了语音通信业务外，也可以利用i p 电话网来提供一些增值业务，增强i p 电话的竞争实例，充分发挥i p 电话网的效益。 2 2i p 电话终端设备的关键技术 i p 电话终端作为i p 电话系统的一部分，采用许多与网关、网守相同的协议，如 网络传输、呼叫控制信令、资源预留协议等，但作为终端设备，它又有自身的一些 关键技术，包括静音抑制及舒适噪音生成、回声消除、语音压缩编解码技术、服务 质量q o s 、通话安全性等几个关键技术，下面分别做简单介绍。 2 2 1 静音抑制及舒适噪音生成技术 静音抑制技术是指检测通话过程中的安静时段，并在这些安静时段停止发送语 音数据包。大量的统计分析表明，在一路全双工电话交谈中，只有在三分之一的时 间内信号是活动或有效的，当一方在讲话时，另一方在接听，而且讲话过程中有大 量时间的停顿。通过静音抑制技术，可以节省大量的网络带宽以用于其它语音或数 据通信。采用静音抑制控制时，通话终端双方在不讲话时，由于没有数据发送和接 受，因此终端中没有任何声音，这与接听传统电话静音期间的效果完全不同。为了 满足人们长期使用传统电话形成的这一条件反射，般在静音期间由终端通过舒适 噪音生成技术产生固定电平的舒适噪音送给受话器。 静音抑制和舒适噪音生成技术一般通过编解码器中的语音活动性检测( v a d ) 电路来实现控制。 9 第二章i p 电话系统结构及其关键技术 2 2 2 回芦消除技术 在i p 电话的应用中，通常有两种回声：声回声和线路回声。本地扬声器输出 的模拟语音信号会被话筒接收，同时被周围的物体反射，当信号被传回到源端时就 会产生所谓的声回声。在数据网中呼叫必须经过多个路由器和网关，其相当长的延 迟又会造成所谓的线路回声。在系统中使用回声消除技术可以解决这个问题。回声 消除技术主要有回声抑制和回声消除两种。 回声抑制器采用的是一种较早的回声控制方法，该方法是一种非线性的回声消 除法。它通过简单的比较器，将接收到的准备由扬声器播放的声音与当前话筒拾取 的声音电平进行比较。如果前者高于某个闽值，那么就允许传至扬声器，而且话筒 被关闭，以阻止它拾取扬声器播放的声音而引起远端回声；如果话筒拾取的声音电 平高于某个闽值，那么扬声器被禁止，以达到消除回声的目的。由于回声抑制是一 种非线性的回声控制方法，因此会引起扬声器播放的不连续，影响回声消除的效果， 目前已经很少使用了。 回声消除器( a e c ) 以扬声器信号与由它产生的多路径回声的相关性为基础， 建立远端信号的语音模型，利用它对回声进行估计，并不断地修改滤波器的系数， 使得估计值更加逼近真实的回声；然后将回声估计值从话筒的输入信号中减去，从 而达到消除回声的目的。a e c 还将话筒的输入与扬声器过去的值相比较，从而消除 由于多次反射形成的长延迟声回声，根据存储器存放的过去扬声器输出值的多少， a e c 可以消除各种延迟的回声。 2 2 3 语晋压缩编解码技术 i p 电话的技术基础和核心是语音压缩技术，模拟语音信号只有经过数字化压 缩编码处理后，才能在碑网络上传输。在p s t n 电话网上的电话一般采用3 2 k b s 的a d p c m 或6 4 k b s 的p c m 编解码技术，而i p 电话技术的标准一般采用更低速率 的编解码技术。i p 电话终端采用硬件编解码器建立和处理口语音分组，一般支持 一种低比特率参数编码算法，一种或多种解码算法，由专用d s p 芯片实现。 在语音压缩的技术标准方面，国际电信联盟( i t u ) 组织定义了一系列语音压 缩标准，其中最常用的国际标准有：g 7 1 1 、g 7 2 1 、g l 7 2 2 、c t 7 2 8 、c t 7 2 9 及g 7 2 3 等。此外，m p e g 小组制定的音频压缩系列标准中最成熟的是m p e g l 和m p e g - - 2 ，它们与i t u t 定义的系列语音压缩标准的不同之处在于：m p e g 不单是针对 语音，还包括所有的声音。 ( 1 ) g 7 1 1 标准 i t u t 于1 9 7 2 年为电话质量的语音压缩制定的标准。取样率为8 k h z 、码率为 6 4 k b i t s 的p c m ( 脉冲编码调制) 方式，使用u 率或a 率的压扩编码，质量相当 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 i p 电话技术研究及“实现 于1 2 比特的线性量化。同时它还规定了u 率和a 率之间的转换关系，它最常用于 数字电话的语音编码中，此外还可用于可视电话或会议电视的语音编码中，并且视 可视电话或会议电视系统中必备的语音编解码能力。 ( 2 g 7 2 1 标准 i t u t 于1 9 8 4 年制定了g 7 2 1 标准，使用3 2 k b i t s 的a d p c m ( 自适应差分 脉冲编码调制) 方式，其取样率与g 7 1 1 标准一致。a d p c m 算法是根据接收到的 语音信号波形预测下一个语音信号，故只需编码每一个接收信号中与预测不同的部 分，从而减少编码的位长。它不仅适用于语音压缩，而且也适用于调频广播质量的 音频压缩。 ( 3 ) 1 2 7 2 2 标准 1 9 8 8 年r r u t 为提供比常规g 7 2 1 压缩技术更高的音质，制定了g 7 2 2 标准。 0 7 2 2 标准将取样率提高到1 6 k h z ，将所编码的模拟音频信号的高频限制从3 k h z 提 高到7 k h z ，同时把低频限从3 0 0 h z 下降到5 0 h z ，输出的编码数据的速率可为6 4 k b s 、 5 6 k b s 、4 8 k b s ，从而在不增加数码率的情况下改进了语音编码的质量。1 2 7 2 2 能将 2 2 4 k b s 的调频广播质量的音频信号压缩为6 4 k b s ，主要用于视听多媒体和会议电视 等。0 7 2 2 标准也能提供数据插入功能，在保持总码率为6 4 k b s 的条件下，可以插 入多种速率的数据。 ( 4 ) g 7 2 8 标准 为进一步降低语音压缩的码率，i t u t 于1 9 9 1 年制定了0 7 2 8 标准，使用基 于1 6 k b i t s 的l d c e l p ( 低延时码激励线性预测) 方式，带宽限于3 4 k h z ，语音 质量和g 7 2 1 标准相当，但比1 2 7 1 1 或g 7 2 2 差得多。 ( 5 ) g 7 2 9 标准 1 9 9 5 年1 1 月，经过较长时间的研究，i t u t 批准了语音压缩标准g 7 2 9 ，采 用8 k b i t s 的c s a c e l p ( 对称结构代数码激励线性预测) 方式。 ( 6 ) g 7 2 3 标准 该标准的编码器采用线性预测分析合成技术，对8 k b s 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进行编码。在1 2 7 2 3 标准中提供了两种可选速率，分别为5 3 k b s 和6 + 3 k b s 。和同样速率的其它语音编码器相比，这两种编码器都具有较高的语音质 量，较低的编码延时( 3 0 4 0 m s ) ，其中，5 3 k b s 编码器只搜索一个激励码本，所 以速度很快，所需的存储空间也较小。考虑到双方在通话时大约只有4 0 n 的时间里 真正有声音传输，也可采用声音活动性检测和舒适噪声生成技术来区别语音和噪 声，并在解码时重建背景噪声。 以上几种编码标准各有特色和适用的场合，i t u t 建议p 8 3 0 描述了一种对语 第二章l pi 毡话系统结构驶虬关键技术 音的主观评定方法一一m o s ( m e a no p i n i o ns c o r e ) 方法，对各种标准的语音质量 进行评测，结合其性能参数，比较如下表。该方法主观性较强，但可以基本显示出 不同标准语音质量的优劣。 表2 1 常用语音编码标：隹及性能参数 标准编码类型 比特率k b p s m o s复杂性时延m s g 7 l lp c m6 44 3lo 1 2 5 g 7 2 3 1a c e l p6 33 82 53 7 5 g 7 2 1a d p c m3 24 ，01 0o 1 2 5 g 7 2 8l d c e l p1 64 o5 00 6 2 5 q 7 2 9c s a c e l p84 03 01 5 g s mr a e l p t1 33 752 0 2 2 4 服务质量 i p 网络的一个特征就是网络延时与网络抖动，它们可以导致i p 通话质量明显 下降。网络延时是指l p 包在网络上平均的传输时间，网络抖动是指i p 包传输时间 的长短变化。当网络上的语音延时超过2 0 0 m s 时，通话双方更倾向于采用半双工通 信。另一方面，如果网络抖动较严重，那么有的话音包因迟到而被丢弃。会产生话 音的断续及部分失真，严重影响语音质量。目前，许多国际组织、网络设备制造商 和业务提供者都致力于q o s 的研究开发和应用，各种协议、标准、产品和解决方案 相继出台。口电话和q o s 的联系尤为密切，高的时延和失真的话音都会令人无法 忍受。因此，如何确保i p 电话的q o s ，是i p 电话成功与否的关键技术之一。i p 电话的q o s 目标在于提供高品质的话音。高质量的话音除了优秀的话音编码外，所 依赖的三点要素是带宽、延时和抖动。高品质的v o l p 解决方案关键应当在于对三 个要素的处理，即保证带宽、使延时最小并且延时的变化最小。为此，需要给网络增 加一些监控和自管理功能，使它能够区别对待时延、抖动和丢包的宽容度要求不同 的数据流。q o s 不能增加带宽，但却可以管理带宽，提高带宽使用效率以满足不同 应用的要求，提供莱程度的预测和控制能力。 2 2 5 通话安全性 在i n t e m e t 网上传输数据，安全性一直是重要的