（通信与信息系统专业论文）基于psb21553的嵌入式ip电话终端的研究与设计.pdf

摘要 摘要 随着v o l p 技术的同益成熟，因特网上的语音通信得到极大的推广，i p 电话 是v o i p 的一个典型应用。本沦文的选题源于安徽四创电予股份有限公司的研发 项目，设计的嵌入式i p 电话终端，与普通i p 电话相比具有以下特点：用户可以 通过按键：卣接实现电活转接、建立三方会议、通话录音等功能；可同时注册到三 个不同服务器上或者是在同一个服务器上注册三个不同s i p 号码，通过面板上的 按键可进行切换注册；设计的电话终端进行了键盘扩展，可以将某一电话号码绑 定到一个按键上，拨打该电话号码时可以直接按下该键，即可呼叫该电话号码； 电话终端带有一个f x o 的逃生口，在断电或无网络服务时，电话终端仍能当普 通电话话机使用。论文的撰写是基于该项目进行展开的。 本文的主要研究工作如下： 首先，介绍了研究的背景和意义，接着对i p 电话终端的软件模块设计进行 了介绍，并介绍了信令协议以及数据传输协议。第三章介绍i p 电话终端的硬件 设计，我们通过f p g a 实现键盘扩展。提出了两种方案，f p g a 分别与主芯片的 e b u 接口和s s c 接口进行通信。 在通过主芯片的e b u 接口实现键盘扩展的设计中，我们将主芯片的 c s i 、r d 信号作为f p g a 的c s p 片选信号和读取信号r d ，f p g a 检测到有 按键被按下时，产生中断信号，通知主芯片读取按键值，f p g a 将按键值发 送到主芯片的a d 7 ：0 。采用这种方案，主芯片可以简洁、快速地读取按 键值。考虑到可能会对本文所设计的i p 电话终端进行进一步开发，主芯片的e b u 接1 2 1 可能有其他用途，这时可以用串行同步接口( s s c ) 来代替e b u 。主芯片 通过s s c 接口与f p g a 进行通信，控制f p g a 的时钟信号，f p g a 工作于从模 式，控制f p g a 的时钟信号。当输出使能信号有效时，f p g a 在i s c l k 时钟的 下降沿发送数据，前八个时钟周期发送“l ”，紧接着发送八位按键编码值。在 i s c l k 的上升沿时主芯片将数据锁定。最后对其进行了仿真，基本达到预期效果。 关键字：v o l p ，s i p ，p s b 2 1 5 5 3 ，f p g a a b s t r a c t w i t ht h ev o l pt e c h n o l o g yh a sb e c o m em o r em a t u r e ，v o i c ec o m m u n i c a t i o no n t h e i n t e r a c th a sb e e nag r e a tp r o m o t i o n t h ei pt e l e p h o n e i sat y p i c a la p p l i c a t i o no fv o i e t h i sa r t i c l ec o m e sf r o ma n h u is u nc r e a t ee l e c t r o n i c sc o ，l t d r dp r o j e c t s ， c o m p a r i n gw i t ho r d i n a r yi pp h o n e ，t h et e r m i n a l o fo u rd e s i g nh a st h ef o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c ：t h eu s e r c a ns e l e c tt h ef u n c t i o no fc a l lf o r w a r d i n gd i r e c t l ya n d e s t a b l i s h m e n to ft h et r i p a r t i t em e e t i n gt h r o u g ht h eb u t t o n t h et e r m i n a l c a nb e r e g i s t e r e dt ot h r e ed i f f e r e n ts e r v e r so ro n es e r v e rb yt h r e ed i f f e r e n ts i pn u m b e r s ，a n d s w i t c hr e g i s t e r e ds t a t et h r o u g ht h eb u t t o n s u s e rc a nc a l ls o m e o n eb yp r e s s i n ga b u t t o n t e l e p h o n et e r m i n a lh a saf x oe s c a p ep o r t ，c a ns t i l l b eu s i n ga so r d i n a r y t e l e p h o n ew h e ni tc a nn o tl i n kt on e t w o r ks e r v e r t h ew r i t i n go f t h ep a p e ri sb a s e do n t h ep r o je c t t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h w e r ei n t r o d u c e di nt h e b e g i n n i n go ft h ea r t i c l e t h e nw e i n t r o d u c et h ed e s i g no fs o f t w a r em o d u l e ，a n dt h e p r o t o c o lo fs i g n a l i n ga n dt r a n s f e r t h et h i r dc h a p t e rd e s c r i b e st h eh a r d w a r ed e s i g no f t h ei p t e l e p h o n et e r m i n a l t h em a i nr e s e a r c hw o r ki s t h ei pp h o n ek e y b c a r de x p a n s i o nw h i c h w a sd e s i g n e db vt h ef p g a f p g ac o m m u n i c a t e sw i t ht h ee b u i n t e r f a c ea n ds s c i n t e r f a c eo ft h em a i nc h i pr e s p e c t i v e l y i nt h ed e s i g no fk e y b o a r de x t e n s i o nw h i c hc o m m u n i c a t ew i t ht h ee b u i n t e r f a c e o ft h em a i nc h i p ，w es e tt h ec h i ps e l e c ts i g n a la n dr e a ds i g n a lo f f p g aa st h e r do ft h em a i nc h i p w h e nt h eb u t t o ni sp r e s s e d ，f p g ag e n e r a t ea ni n t e r r u p t s i g n a lt on o t i f yt h em a i nc h i pt or e a dt h e v a l u eo fk e y , t h e ni tw i l ls e n dt h ev a l u eo f k e vt oa d 7 ：0 o ft h em a i nc h i p t h em a i nc h i pc a nr e a dt h ev a l u es i m p l y t a k i n gt h e f u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h ei pt e l e p h o n et e r m i n a li n t oa c c o u n t ，t h ee b u i n t e r f a c em a y h a v eb e e nu s e d t h es y n c h r o n o u ss e r i a li n t e r f a c e ( s s c ) c a nb eu s e di n s t e a do ft h e e b u t h em a i nc h i pc o n t r o lt h ec l o c ks i g n a lo ff p g a ，t h ef p g aw o r k si ns la v e m o d e w h e nt h ee n a b l es i g n a li sv a l i d ，f p g as e n dd a t aa t t h ef a l l i n ge d g eo ft h e i s c l k ，t h em a i nc h i pm u s tl o c kt h ed a t aa tt h er i s i n ge d g eo ft h ei s c l k f i n a l l y ，w e s i m u l a t et h et w os c h e m e so fk e y b o a r de x t e n s i o n ，t h e r e s u l t sh a v ea c h i e v e dt h e e x p e c t e dt a r g e t sb a s i c a l l y k e y w o r d s ：v o l p ，s i p ，p s b 2 1 5 5 3 ，f p g a v 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 近年来，v o i p ( v o i c eo v e ri p ) 及其应用技术同益成熟，各种应用层出不 穷，其中i p 网络电话系统就是v o i p 技术的一个典型应用。i p 网络电话系统以i p 作为网络层协议，在计算机网络中实现分组语音通信，信道中的语音数据传递采 用统计时分复用技术。i p 网络电话系统具有带宽合并和业务综合等特性，和传统 的电路交换网络相比，很大程度上提高了传输设备和信道的利用率，系统的运营 成本较低。 由于网络的宽带化和家庭宽带业务的普及，下一代网络( n g n ) 的带宽瓶颈被 1 - j r - ，传统电话通信将逐步向i p 电话转移，i p 电话扩大电话的普及范围，努 j 有非 常广阔的市场前景，i p 电话通信系统的语音传输利用现有计算机网络资源实现， 信息传递量较大，降低了语音通信的成本，且提高了对计算机网络资源的利用率 【i l o 随着网络的宽带化和因特网向家庭用户的普及，丌发一种通过r j 一4 5 以太网 接口接入因特网、使用起来更加方便的i p 电话终端是很有现实意义的。 1 1 1v o i p 通信技术的发展 因特网上进行语音通信的整个流程较为复杂，涉及到很多技术，其中最关键 的是v o i p 技术。所谓的v o i p 是指将模拟语音信号依次进行数字化和压缩编码处 理，然后对处理后的数据进行打包，使之能在i p 网络上进行实时传输1 2 j 。 v o i p 技术的发展可分为以下三个阶段： 首先是1 9 9 6 年到1 9 9 9 年的第一个发展阶段。该阶段下，企业网、互联网上 丌始运用v o l p 技术提供小规模的且无服务质量保证的语音通信，所用到的信令 控制协议主要是h 3 2 3 ，m g c p ，且没有和电信网进行互通，或者是通过企业 自身的小网关接入电信网。没有电信运营的o s s ( o p e r a t i o ns u p p o r ts y s t e m ) ，也 没有形成商业运营模式【3 1 。 皋十p s b 2 1 5 5 3 的嵌入式i pl u 衍终端的i j f 究j 改汁 紧接着1 9 9 9 年到现在，作为第二阶段。从1 9 9 9 年丌始，商业用途的v o i p 长途业务网逐步组建，所提供长途语音通信业务有服务质量保证，大部分业务网 采用h 3 2 3 v 4 + h 2 4 8 的技术体系，少数的小运营商采用m g c p 或s i p 。为了 解决v o l p 长途语音业务的q o s 问题，建设了承载蚓，有了能支持长途语音基奉 业务以及部分增值业务的的o s s ，实现了与传统电信网的曩联互通，具有电信运 营模式。 从现在丌始可以算作v o l p 技术发展的第三阶段。该阶段下，丌始向n g n 演进，将网关延伸到末端，可以为消费者提供更加丰富、有服务质量保证的语音 业务。同时因特网上的通信方式开始由单媒体通信向多媒体通信过渡，丌始了固 定通信与移动通信的融合，以及电信业务与互联网业务的融合1 4 j 。 1 1 2v o i p 的研究现状及实现原理 v o l p 技术起步较早，但其应用却并未得到很好的推广，直到宽带时代来临 之后才丌始逐步发展，大量的应用成果也逐步涌现。同时许多大企j i k 选择了v o l p 电话网，网络设备制造商也都开始涉足v o l p 设备，将其视作未来业务发展的一 个重点。 近几年，v o l p 技术的发展对以电路交换方式传输语音的传统电话网产生威 胁。通过v o i p 技术，对数据迅速进行本地化处理，在此基础上增加一些硬件和 软件就能提供网络语音通信服务。用户可以在互联网基础设施上拨打电话，通过 在计算机网络发送、接收数据流，实现语音的发送和接收。 v o l p 技术建立在i p 分组交换和数字化传输的基础上，所用到的基本原理为： 首先发送端通过麦克风或其他功能类似的设备接收语音，将其转化为模拟语音电 信号，对模拟语音数据进行压缩编码处理，然后对处理后的语音数据进行打包， 通过i p 网络传输数据包，在接收端对接收到的语音数据包进行串操作，对处理 后的语音数据包进行解码解压，将其还原成模拟语音信号。通过对语音信号的转 换及压缩处理，i p 电话终端的语音传输的过程需要占用的带宽为8 1 1 k b i t s ，而 普通的电信网中的语音传输过程需要占用的带宽为6 4 k b i t s ，使用i p 电话终端可 以提供5 8 倍的用户使用。 整个语音传输过程包含以下几个阶段【5 】： 2 第一章绪论 1 ) 语音信号向模拟据转换 要进行语音信号的网络传输，首先要将i p 电话终端的输入语音信号转化为 模拟电信号，可通过麦克风等接收器实现，转化后的模拟数据进入到缓冲存储区 中。 2 ) 数据的压缩编码以及i p 打包 对模拟语音信号进行数字化后，按照特定的帧长对其进行压缩编码。绝大多 数的编码器都有其特定的帧长，按照帧长将语音信号划分为大小相等的各个帧， 并按顺序对其进行编码。压缩编码后，将压缩的帧合并为压缩的语音包，并将其 送进网络处理器。网络处理器负责对语音包添加包头、时标以及其它信息，然后 通过i p 网络传送到接收端。i p 网络将数据放在长度可变的数据报或分组中，每 个数据报都附带了寻址和控制信息，并在网络中传输，通过不停的转发传送到目 的地。 3 ) 传输 i p 网络从输入端接收打包后的数据包，在反映网络传输中的抖动的时间t 内， 将其传输至网络的输出端。网络中的节点检查接收到的数据报中所携带的寻址信 息，根据这些寻址信息将该数据报转发到传输路径上的下一节点。 4 ) i p 包向语音数据的转换 接收端的i p 电话终端接收到网络上传送过来的i p 包，对其进行处理。电话 终端提供了一个网络级的大小调节的缓冲器，通过改变缓冲器大小来调节网络中 产生的抖动。对接收到的数据报进行处理过程，去掉其所附带的寻址和控制信息， 得到原始的数据包，将这个原始数据包送到解码器。然后，通过解码器对编码的 语音包进行解压缩，生成新的语音包，该过程也是按帧进行操作，帧长应和解码 器的长度相同。接着将被解码还原的语音数据流送入解码缓冲器中。 5 ) 数字语音信号转换为模拟语音 i p 电话终端的播放驱动器将解码缓冲器中的语音样点取出，并通过听筒或 外置扬声器按照预定的频率进行播放。 也就是晓，要实现i p 网络上传输语音信号，需经过发送端的语音信号的模 数的转换、数字语音打包成i p 分组，网络上的i p 分组传输，接收端进行的i p 分组的解包以及将数字语音还原成模拟信号等几个过程。 堆十p s b 2 1 5 5 3 的嵌入八i pl 【l 话终端的研究1 j 设汁 具体流程程如图1 1 所示。 图1 1v o l p 的传输流程 1 1 3i p 电话的应用现状 从2 0 世纪9 0 年代丌始，各种应用形式的l p 电话不断涌现，i p 电话业务的服务 范围包含困内和国际长途，提供电话到电话或者通过计算机上的客户端到电话这 种两个用户端之间的电话业务。i p 电话通过在网络上传输语音数据的i p 包的方式 实现信息的传递。所谓的i p 电话具有4 种特征：语音通信过程通过i p 电话技术网 络来实现；i p 电话的网络呼玎q 控制、认证以及管理等功能是通过其网关与p s t n 的互连来实现的；采用s i p 协议作为信令协议；通过“域”来实现网络组织1 6 j 。 i p 电话的整个发展过程可以归结为三代。第一代i p 电话的出现可以追溯到 1 9 9 5 年2 月v o c a l t e l 公司推出的i n t e m e t p h o n e ，这可以说是世界上第一款实用的i p 电话终端。第一代i p 电话是基于p c 的软电话，可以实现计算机之间的实时语音通 信，但其语音质量会很大程度上收网络搠塞的影响，而且使用也不方便。鉴于第 一代的i p 电话的优点和缺点，第二代i p 电话采用传统的电话机作为终端，电话机 通过i p 电话语音网关防问因特网，但是这样的i p 电话在使用时仍不太方便，且同 时占用了因特网资源和传统的本地电话网资源。第三代i p 电话的出现与因特网的 普及息息相关，随着网络的宽带化和因特网向家庭用户的普及，开发一种通过 r j 一4 5 以太网接口接入因特网、使用起来更加方便的工p 电话终端是非常必要的【7 j 。 4 第一章绪论 v o l p 电话的概念已于多年前就提出了，而且l p 电话在长途电话业务j ：有着 非常明显的优势，掘统计，i p 电话提供的语音业务量在全球电话总业务量巾所 占的比率约l o 左右。但足，由于l p 电话提供的语音通信在通话质量等一些方 面仍存在着些许缺陷，v o l p 电话的应用并没有得到真f 地发展和推、- 8 1 。 近些年，随着家庭宽带业务的逐步普及，美国的一些运营商丌始提供基于 s i p 技术的v o l p 业务，用户通过宽带接入网络即可使用。美困几乎有百分之二 十五的互联网用户利用互联网语音工具拨打i p 电话，使用的网络电话工具主要 有s k y p e 和v o n a g e 等。美国成人人口中有百分之十九的互联网用户使用过互联 网电话。而且，平均每天约有百分之五的互联网用户一定会使用i p 电话。 在中国大陆地区，中国电信、中国网通及中国铁通等主要的固网商，在很大 程度对i p 语音进行了封锁。因为客户大量使用i p 语音会导致传统的电信运营商 的收入下降，而且i p 语音不方便监听，得不到政府的支持和推广，所以i p 电话 的应用和推广有着较多的限制因烈圳。 1 2 研究的主要内容 本文阐述了一种基于p s b 2 1 5 5 3 的嵌入式i p 电话终端的设计与实现，这种i p 电话终端除具有普通i p 电话的基本功能外，在设计上更加方便用户使用。 与传统i p 电话相比，我们设计的i p 电话终端具有以下优点： 用户可以通过使用按键直接实现电话转接、建立三方会议、通话录音等功6 t - j 匕“； 可同时注册到三个不同服务器上或者是在同一个服务器上注册三个不同s i p 号 码，通过面板上的按键可进行选择，决定i p 电话以什么s i p 号码注册到服务器上； 内置电话本功能，可以通过l c d 查看用户设置的联系人信息；若需要呼叫的联系 人与电话终端在同一专用网或公网上，即使未能注册到服务器上，也可根据联系 人信息配置的i p 地址实现点到点的直接i p 呼玎l ；设计的电话终端进行了键盘扩 展，可以将某一电话号码绑定到一个按键上，拨打该电话号码时可以直接按下该 键，即可呼叫该电话号码；电话终端带有一个f x 0 的逃生口，在断电或无网络服 务时，电话终端仍能当普通电话话机使用。 幕于p s b 2 1 5 5 3 的嵌入代i pl u 讯终端的研究j 设计 1 3 论文的组织结构 本论文对设计的i p 电话的基于s i p 协议的软件体系和以p s b 2 15 5 3 为 ：签片 的硬件体系分别介绍。 论文的结构安排如下： 第一章绪论 本章简单介绍了v o i p 通信技术的发展和研究现状、课题研究的背景、课题 研究的内容介绍和结构的安排。 第二章i p 电话终端的软件系统设计 本章介绍i p 电话终端的软件模块设计，并对其所采用的语音编码技术作了 简单描述。随后介绍了s i p 协议以及o s i p 协议栈的使用，以及i p 电话终端所采 用的数据传输协议。 第三章i p 电话终端的硬件设计 本章主要讲述了i p 电话终端的硬件模块设计，介绍了系统硬件实现原理， 根据原理图，对主要模块的工作原理和机制做了研究，并对主芯片p s b 2 1 5 5 3 做 了重点介绍。 第四章f p g a 键盘扩展模块设计 本章对i p 电话终端硬件设计中的f p g a 键盘扩展模块设计做了重点介绍， f p g a 通过p s b 2 1 5 5 3 的e b u 接口和s s c 接口分别实现了对i p 电话终端的键盘扩 展。 第五章总结与展望 对文中所做的工作进行总结，并对产品可以改进的部分进行了分析。 6 第一：牵i pi u 讲终端的软件系统设汁 第二章i p 电话终端的软件系统设计 使用i p 电话终端，可以使蹦户利用i p 网络传输语音，网络接口主要采用 e t h e r n e t 接口和i n t e r n e t 连接，有p p p o ec l i e n t 的功能，保证i p 电话 终端可以通过p p p o e 和外界连接。终端的配置管理上，支持c l i ( c o m m a n d l i n ei n t e r f a c e ) ，w e b 两种方式。一般采用c l i 对系统进行初始化配置，配 好i p 地址后，系统可以采用t e l n e t ，w e b 方式配置。w e b 方式配置提供了 图形化的用户界面，用户配置起来更轻松。 2 1 软件系统模块设计 一v o l p 控制流 _ = 辛v o l p 数据流 _ 模块配置管理 图2 1 软件系统模块设计 从图2 1 可以看出，系统的软件部分主要分为a p p 、t e l 、d s p 、s i p 、t c p i p p p p o e 、c l i 、w e b 以及c o n f 等模块。各个软件模块所实现的功能描述如下： 7 皋十p s b 2 1 5 5 3 的嵌入j i i pi u 讯终端的 i j f 究j 没计 1 ) d s p 模块实现对硬件d s p 模块的驱动功能，并可以将检测到的f 乜话端口 的状态变化，传送给电话交换模块。该模块能根据电话模块发来的指令，设置某 一次通话过程所用的编解码算法。模块主要接口是为电话交换模块提供和响应 v o l p 控制信息，提供的信息包括系统摘机，挂机，拨号等。要响心的控制主要 有，f ：始通话，结束通话，送音频信号( 忙音，拨号音等) ，拨号。此模块还提 供对配置启动保存管理模块，c l i ，w e b 配置的n 向应。 在系统初始化的时候， d s p 模块从c o n f 模块得到配置信息，对本模块进行初始化。主要配置有音频 参数配置。 2 ) t e l 模块也就是电话交换模块，该模块主要用来实现与电话接口相关的所 有配置。将从d s p 模块传来的电话端口的状态变化，报告给a p p 模块中与该状 态对应的事件。跟踪和监视每个电话端口的状态，并设置相应的定时时钟，以及 超时后的处理机制。例如在使用过程中d s p 模块检测到了用户摘机，将这个状 态变化发送到t e l 模块之后，t e l 模块根据电话终端的上一个状态，来判断它 现在所处的状态，若上一个状态是i d l e ，则现在的状态为c a l l i n g ，若上一 个状态是r i n g i n g ，则现在的状态为t a l k i n g 。假设现在电话终端的状态变 化为从i d l e 到c a l l i n g ，t e l 模块将该变化报告给a p p 模块。用户摘机后， a p p 模块根据接收到的状态变化，指示t e l 模块是否开始接收用户的拨号以及 发送拨号音。如果指示丌始接收用户拨号，t e l 模块设置定时时钟，启动超时 处理机制，如果用户摘记后一定时问内末拨号，则发送忙音给用户，提醒拨号超 时。 3 ) a p p 模块应用程序模块是i p 电话终端的核心控制模块，主要功能为对话路 进行控制，负责协调s i p 模块和电话交换模块之问的协作。该模块为信令控制单 元，对v o l p 协议以及接收到电话端口状态变化进行分析，并做出相应处理。 4 1s i p 模块该模块基于o s i p 协议栈来实现s i p 协议的处理。提供了s i p 功能 接口，并通过a p p 模块的回调函数，告知其s i p 协议的处理情况。利用s i p 协 议发起会话时，该模块将调用h t l 模块，从而得到动态的r t p 端口，会话结束 后，将端口释放给h t l 模块。 5 ) t c p i pp p p o e 模块该模块为i p 电话终端提供了网络功能接口。该模块可 以利用现有的成熟协议来实现功能。 第二章i pi ui ，终端的软件系统设汁 6 1c l i 模块此模块实现命令行方式对设备的管理，参考c i s c ol o s 配置或 其它相同产品的配置命令。用户可使用c o s o l e 或t e l n e t 连接到设备中，通 过此模块对i p 电话进行动态设置，此模块和系统各模块都有接口，调片j 各个模 块提供的操作a p i 对各模块进行操作。比如，s i p 参数设置，需要凋用s i p 模块 提供的接 1 函数。 7 1w e b 模块和c l i 模块完成的功能一致，提供给用户通过h t t p 访问配置 i p 电话的手段，需要对各模块可配置参数有详细的了解。 8 ) c o n f 模块该模块用来实现对各模块的数据进行保存以及初始化读取工 作。用户通过c l 、w e b 模块对i p 电话终端进行配置后，所作的配黄更改可以 通过此模块进行保存。当i p 电话终端断电后，再次启动时该模块将从f l a s h 中读 取上次保存的配置信息，对各个模块进行初始化，用户无需重新对设备进行配置。 若读取f l a s h 中的配置信息时出现错误，设备以默认的方式启动。 s i p ，a p p ，t e l 模块配合实现系统的v o l p 功能，各模块各自又管理着自己 的实体，t e l 管理的是电话口，s i p 管理的是s i p 的会话。在完成一个v o l p 的 过程中，这些不同协议或模块之间的实体是要联系在一起的，a p p 模块是这几个 模块的控制中心，完成对其它模块的桥接。 2 2 语音编码技术 语音编码是实现i p 网络电话的商业级应用的重要步骤，模拟语音信号数字 化抽样，进行数字化编码p c m 码，然后通过专用的数字处理器芯片对数据进行 压缩，然后通过l p 数据进行网络的传输【l 叭。 对语音信号进行编码除了对其进行压缩或解压缩之外，还要进行静音检测和 回声消除。通过对语音信号的静音检测，可进一步降低语音信号占用的带宽，而 通过回声消除则可以消除回声干扰，从而保证通话语音品质。所设计的i p 电话 终端支持的音频编码方案为i t u t 定义的g 7 1 1 a 率律，g 7 2 3 1 ，g 7 2 9 a j b ， 等 t l 】。表2 1 给出了几种主要音频编解码标准的参照表。 9 荩t 二p s b 2 1 5 5 3 的嵌入式i pi 叭再终端的研究1 j 设计 表2 1 几种常用的语音编码方案 编码方案编码类型数据速率复杂度语音质量 延时 ( k b p s ) g 7 llp c m6 4 很低非常好非“ 低 g 7 2 3 1a c e l p m p - m l q 5 3 6 3 尚好 占。 l - o j g 7 2 9c s a c e l p8 尚好低 g 7 2 9 ac s a c e l p8 中等一般低 g 7 1 1 通过脉冲编码调制实现对音频信号的采样，采样率达到8 k 每秒。通过 未压缩的6 4 k b p s 通道传输语音信号。起压缩率为1 ：2 ，1 6 位数据压缩成8 位， 有a 率和律两种压缩算法。6 4 k b p s 标准的p c m ，因其编解码简单、语音质量 好以及延迟低，占据主要地位。标准的s i p 终端原则上都应该支持g 7 1 1 编码【1 2 1 。 语音编码调制时，对输入信号的取值域按等距离分割，即均匀量化，这种量 化方式不考虑语音音量的大小出现的概率；而对输入信号按不同区旺j j 来确定量化 间隔，则称为非均匀量化。常用的非均匀量化压缩器采用对数式压缩的较多，即： y = i n x 。我国采用的是a 律压缩，而且有标准的a 律p c m 编码芯片。a 率限制 采样模值为1 3 比特，把x ( x o 部分) 划分为不均匀的8 段，然后把每段均匀 划分为1 6 等份，每一份表示一一个量化级。把y 轴均匀划分为8 段，每段均匀分 为1 6 分。而x 取负值时，压扩特性与x 取正值成奇对称。在j f8 段和负8 段中， 正1 ，2 段和负1 ，2 段斜率相同，合为一段。所以原来的1 6 段折线变为1 3 段折 线。图2 2 为a 率压缩的1 3 折特性【1 3 】。 图2 2a 率1 3 折特性 1 0 第一：章i pl u 讯终端的软件系统设计 g 7 2 3 1 是一个双速率的语音编码器，主要应用系统包括h 3 2 3 、i t 3 2 4 等 多媒体通信系统，已成为i p 电话系统中的常用算法。编码器的帧长为3 0 m s ，前 瞻为7 5 m s ，有3 7 5 m s 的算法时延。g 7 2 3 1 编码器首先基于g 7 1 2 对语音信号 进行滤波，再基于g 7 l1 对语音信号以8 k h z 速率进行抽样，将语音信号变换成 为1 6b i t 的线性p c m 码，变换后的p c m 码用做编码器输入。在编码器的输出端 对输出信号进行上述操作的逆操倒1 4 j 。 g 7 2 9 采用基于c e l p 编码模型的c s - a c e l p ( 共轭结构的代数码激励线性预 测) 算法，这种编码方式能实现很高的语音质量，且算法延时很低。编码器的帧 长为1 0 m s ，前瞻为5 m s ，算法时延1 5 m s 。编码器进行编码时的输入信号为1 6 b i t 的p c m 语音信号，输出2 进制比特流。而译码器进行译码时的输入信号为2 进制 比特流，输出1 6 b i t 的p c m 语音信号。对语音信号以8 k t t z 速率取样后，得到的 1 6 b i t 线性p c m 进行编码，压缩编码后的数据速率为8 k b p s ，压缩率为1 6 ：lu s 。 g 7 1 1 实际占用带宽为每线9 0 4 k b i t s ，g 7 2 3 实际占用带宽每线2 2 9 k b i t s ， g 7 2 9 实际占用带宽每线3 4 4 k b i t s 。 2 3i p 电话终端所使用的通信协议 网络电话的通信协议主要有三家研究机构制定的三个协议系统：h 3 2 3 、s i p 矛i m g c p 。作为i e t f 铜j 订的网络电话协议标准，s i p 系统包括会话启动协议( s i p ) 和实时传输协议( r t p ) 。作为信令协议的s i p 协议完成呼叫的建立和管理、以及翻 译应用层地址。r t p 为语音和视频数据的传输协议，在对数掘进行透明封装后， 传递实时信息。r t c p 为r t p 媒体流提供信道外控制。s i p 协议的丌发基于 i n t e r n e t 应用层协议，其结构和思路完全源于i n t e r n e t 1 6 】。 2 3 1s i p 协议 信令是通信系统中不同设备之间交换的信息，也可以说是一种机制，通信网 中的用户终端以及各个业务节点可以通过这种机制来实现各自状态信息的相互 交换，以及提出它对其它设备的接续要求，使得网络以一个整体的形式运行。 本文所设计的电话终端使用s i p 作为信令协议，图2 3 为基于s i p 的v o l p 系统的协议栈结构【1 7 1 。s i p 提供了一个基础，应该和其他的协议一起工作，才能 桀于p s b 2 1 5 5 3 的嵌入武i pi 乜话终端的研究j 设计 对终端用户提供完整的服务。s i p 协议自身并不提供会议控制服务，可以与其他 的会议控制协议合作来发起一个会议【1 8 】。 麻川j ，： 支 删络j 。： 链蹿联 物理联 s i pr t s pr s v p r t c p ：r t p z 工工互工 图2 3 基于s i p 的v o i p 系统协议栈结构 根据逻辑功能的区别，s i p 系统由四种元素组成，分别为u s e ra g e n t ( 用户 代理) 、r e g i s t r a r ( 注册服务器) 、r e d i r e c ts e r v e r ( 重定向服务器) 、p r o x y s e r v e r ( 代理服务器) 1 9 】。这四种元素在一个具体呼叫事件中扮演不同角色， 且这样的角色不是固定不变的。图2 4 描述了s i p 的系统构梨2 0 1 。 ；t 冀：国 i l 扩。4 蹙褥爹 ”。 1 吨。 警磊爵薯? ? 2 3 1 1s i p 的消息格式 图2 4s i p 系统构架 s i p 消息可分为请求( r e q u e s t ) 和响应( r e s p o n s e ) 。大致由四个部分组成， 分别为s t a r t 1 i n e ( 起始行) 、m e s s a g e h e a d e r ( 消息头) 、c r l f ( 空行) 和m e s s a g e b o d y ( 消息体) 组成。其中m e s s a g e h e a d e r 由一个或多个字段组成，c r l f 标 1 2 、= 鹣 毪 嚣 ， 臻 国f 蝴p-l p p 1 。 第一二章i pi u 晒终端的软件系统设计 志消息头结束，m e s s a g e b o d y 足i 叮选项。s i p 消息的具体格式如下【2 l 】【2 2 】： g e n e r i c m e s s a g e = s t a r t l i n e + m e s s a g e h e a d e r c r l f 【m e s s a g e - b o d y 】 对应于请求消息和响应消息，起始行分为请求行和状态行两种。消息头分为 通用头、请求头、相应头和实体头四种。 s i p 的请求消息格式如下： r e q u e s t = = r e q u e s t l i n e 半( g e n e r a l - h e a d e r j r e q u e s t h e a d e r i e n t i t y h e a d e r ) c r l f m e s s a g e - b o d y 】 请求行r e q u e s t - l i n e = m e t h o ds pr e q u e s t u r is ps i p v e m i o nc r l f ，以m e t h o d 开 始，接着是r e q u e s t u r i 以及协议版本，最后以回车键结束，各个元素之间用空 格键字符隔丌。s i p 中定义了“i n v i t e ”、“a c k ”、“o p t i o n s ”、“b y e ”、 “c a n c e l ”、“r e g i s t e r ”、“i n f o 这几种方法f 2 3 】f 2 4 】。 s i p 的响应消息格式如下： r e s p o n s e = s t a t u s l i n e 木( g e n e r a l - h e a d e r i r e s p o n s e h e a d e r i e n t i t y h e a d e r ) c r l f m e s s a g e b o d y 】 s t a t u s l i n e = s i p v e r s i o ns ps t a t u s c o d es pr e a s o n p h r a s ec r l f s i p 协议中，以三位整数所代表的状态码和原因码表示对请求的回答。原因短语 是对状态码的简堆文字描述。状态码的格式如下： s t a t u s c o d e21x x ( i n f o r m a t i o n a l ) 2 x x ( s u c c e s s ) l3 x x ( r e d i r e c t i o n ) 1 3 璀十p s b 2 1 5 5 3 的| 祆入式l pi u 诵终端的 j i ：究j i 5 2 计 l4 x x ( c l i e n t e r r o r ) 5 x x ( s e r v e r - e r r o r ) 6 x x ( g l o b a l f a i l u r e ) e x t e n s i o n - c o d e 除了1 x x 为暂时响应，其他响应均为最终响应。 合法的s i p 请求消息中应至少包含t o 、f r o m 、c s e q 、c a l l i d 、m a x - f o r w a r d s 、 v i a 这6 个头域。这6 个字段是s i p 消息的基本组成部分，提供了用于路由用的 核心信息，包含了消息的地址，响应的路由，消息传递次数，详细的顺序，事务 的唯一标志。 2 3 1 2s i p 呼叫流程 图2 5 是一个较为简单的s i p 会话的完整流程图。在这个例子中用户代理a 通过s i p 服务器呼叫用户代理b ，为了使会话流程便于描述，假设用户代理a 为 a l i c e ( i p 地址为1 9 2 1 6 8 1 1 7 9 ) ，用户代理b 为b o b ( i p 地址为1 9 2 1 6 8 1 1 8 1 ) ， s i pp r o x y 为b i l o x i c o m ( i p 地址为1 9 2 1 6 8 1 1 8 0 ) ，整个流程按以下步骤进行【2 5 】： u s e r a g e n t a 一 u s e ra g e n tb t e r o k- i t e + r y m g 。一 n g m g 一 ) k k ， 、， 7 ) k 一 图2 5s i p 会话流程 用户代理a 、b 分别向注册服务器发送r e g i s t e r 消息。以用户代理a 为例， a 向注册服务器发送消息： r e g i s t e rs i p ：1 9 2 1 6 8 1 1 8 0s i p ，2 0 、，i a ：s i p 2 0 u d p1 9 2 1 6 8 1 1 7 9 ：5 0 6 0 ；b r a n c h = z 9 h g 4 b k n a s h d s 7 m a x f o r w a r d s ：6 0 t o ：b o b f r o m ：b o b ；t a g = 4 5 6 2 4 8 c a l i - i d ：8 4 3 8 1 7 6 3 7 6 8 4 2 3 0 1 9 2 1 6 8 1 1 7 9 1 4 第二章l pi u 讯终端的软佴：系统设计 c s e q ：1r e g i s t e r c o n t a c t ： e x p i r e s ：7 2 0 0 c o n t e n t l e n g t h ：0 注册服务器l u l 应一个2 0 0 0 k ： s i p 2 02 0 0o k v i a ：s i p 2 0 u d p1 9 2 1 6 8 1 1 7 9 ：5 0 6 0 ；b r a n c h = z 9 h g 4 b k n a s h d s 7 t o ：b o b ；t a g = 2 4 9 3 k 5 9 k d f r o m ：b o b ；t a g = 4 5 6 2 4 8 c a l l i d ：8 4 3 8 17 6 3 7 6 8 4 2 3 0 1 9 2 16 8 1 17 9 c s e q ：1r e g i s t e r c o