用户端设备的语音分组设计与语音网关

2006-05-07 15:50:01来源: 电子产品世界

    话音分组(VoP,Voice-over-Packet)服务与设备的诱人之处主要表现在三个方面:节约成本(由于传输效率高),简便(话音、数据在一个网络上传输)与增值服务(远优于电路交换网络)。传统的话音呼叫,是通过拨号接通公用交换电话网(PSTN),形成一条专用的通信“透明信道”,在通话期间,双方各占64Kb/s带宽。这种方式十分可靠,通话质量近乎无可挑剔,但在只有一人讲话及通话间隔期会造成容量浪费。而包交换网络则充分利用了数据传输高效的特点,与电路交换网络相比,可节省数倍的带宽。

    正因如此,VoP市场呈现出迅速扩展之势,其全球营业额将从2000年的20亿美元,上升到2004年的880亿美元,年综合增长率为102%。这些数字包括VoIP,VoFR,VoATM,以及增值IP服务,如IP传真。

    然而像其他新兴市场一样,难于准确断定VoP市场会向何处演变,会涌现哪些标准作为主流技术。这也就难于决定在实施VoP中应采用哪些技术。举例来说,G.168网络的回波抵消算法与几种ITUG.72x编译码规范,可利用处理资源的各种配置加以改进。目前的解决方案,多半是将微处理器与现有数字信号处理器(DSP)组合起来。可是这些方案一直达不到因信道密度的不断增加所提出的越来越高的要求。

    为了改进各种算法的运行性能,采用可配置DSP芯片组是理想的方案。与通用 DSP芯片相比,可配置定制式DSP能将性能指标提高若干倍。除此之外,信道成本大大降低,底板所占面积大大缩小,能耗减少,并可在整个网络上进行扩减。

应用细分

    VoP市场分为三种不同的部分。第一是家庭市场,将VoP带进家庭与小型家庭办公室市场,在一条数字用户线路(DSL)或电缆调制解调器上配二至四条话音线路。DSL与电缆服务提供商现在已能在一条双绞线上或现有的有线电视电缆上增加几条电话线路和高速数据信道。如以传统网络提供同样的服务,则需采用多条铜线,按月按线支付费用。DSL话音和虚拟专用网络这样的增值服务,正为DSL和有线电视公司开拓市场,增加盈利。

    第二是面向后台办公系统的大市场,使公司用户有能力将电话网与广域因特网体系结构融为一体。这类用户端设备(CPE)能使公司大幅度降低成本,原因是模拟电话线路与DS-0(第0级数字传输系统)信道大为减少。

    第三是正在迅速崛起的面向中心局“网关”产品的市场。它能处理大批电话线路。目前的应用系统尚处于起步阶段,主要是把来自不同家庭的多条电话话路和后台办公产品转至DSL或Tl线路,并为进出传统PSTN的话音数据通过第5类交换机选择路由,这种交换机同时为进出因特网基础设施的数据选择传输路由。

CPE设计

    上述几种新兴市场,提出了一系列的设计课题。对于CPE,重点是单芯片系统(SoC)的集成度和灵活性。这种平台必须有成本优势,能支持多种多样的网络和话音处理软件。对于典型的VoP CPE设计,优先考虑的是如下组件:

    网络接口。CPE设计要求LAN、WAN网络具有连通性。LAN接口几乎全部规定成以太网10/100Mbit接口。WAN接口则难以限制,在很大程度上必须支持一系列的宽带调制解调器。在同样的CPE设备系列中,之所以有多家CPE SoC厂商在提供以太网、Utopia、PCI、USB和SSI,正是要覆盖宽带数据传送的繁多的物理接口。 

    数字电话接口。要求与各种模拟和数字电话元件进行“无缝”连接,势必得规定一种同步时分复用(TDM)接口和配套的时隙交换设备。其次,系统的集成度和目标成本要求这种接口与模拟电话组件进行不牢固的连接,如用户线路接口卡和数字T1/E1 帧接口。 

    网络处理器。要求CPE支持多种网络控制软件和专用网关设备信令接口,这就需要在话音和数据包的通用路由选择设备之外,加进嵌入式处理器资源。并且还须将这些资源恰当安置,以便今后为会聚式网络补加增值功能,如网络地址翻译、加密和智能呼叫处理。采用VoP技术最困难的问题之一是,从中心局提供并配置CPE基础设施。CPE处理资源,尤其是网络信令软件,对本地交换运营商经济地利用VoP基础设施起决定性作用。 

    数字信号处理。要求CPE支持各种基于标准的话音处理,就需要采用高性能的灵活的DSP。将这种平台与专用硬件增强设备相配是有利的,这种增强设备将话音处理加速,并将进出WAN的话音流加以整理。让DSP与网络处理器最低限度地结合起来,处理话音的打包与拆包,同样是有利的。DSP平台最具挑战性的问题之一是,如何在任一信道上对任一编译码器进行“真正的”传输过程配置。DSP必须与网络处理器一同工作,达到无缝地实现管理WAN带宽所需的实时呼叫建立功能。 

    系统支持组件。CPE设计需有支持组件,例如通用异步收发器,SPI,II2C以及外部存储器接口控制器。这些组件已在嵌入式设计中使用,其高集成度有助于降低CPE设备的设计成本。 

网关设备设计

    对于网关设备,最重要的是信道密度和系统级的集成度。VoP网关的典型设计要考虑如下因素:

    分组网络接口。网关设计通常伴有ATM或IP交换机和路由选择设备。以此使网关的分组接口专门去管理话音和话音控制信息。目前还有一种趋势:采用多物理分组接口,提供一个冗余级。

    话音网络接口。网关设计也要为传统的第5类交换设备提供一种数字中继接口。VoDSL和VoCable网关利用这种接口提供PSTN服务。这两类网关都采用GR-303标准信令协议,进行呼叫建立和控制。这正是在宽带分组网络上提供第5类PSTN老式普通电话服务的基础。

    话音分组接口。网关设计的难题之一在于话音分组在系统内的流动。网关内的DSP资源须有灵活的接口,将系统的控制处理器从话音分组路由中卸载下来。这种接口通常与系统的直接存储器存取(DMA)控制和分组路由功能联合使用,实现系统中话音流的合理化。

数字电话交换接口。数字电话接口与CPE设计有所不同,并不像设想的那样与外部组件无缝集成,而是在网关内与高密度分布式交换构件结为一体。由于指定网关的DSP可处理的话音信道多达数百路,所以在系统内对特定的DSP资源必须易于作话路切换。在进行网关设计时普遍采用的分布式交换标准之一,是Compact PCI 所用的H.110 CT总线。H.110提供的DS-O时隙多达4,096个。这个数字在某种程度上造成在单个网关机架上必须装有相当数量的DSP资源。

    数字信号处理。网关设计中的DSP 资源,需要针对某种话音处理标准将网关处理能力最大化。因为DSP资源处于分布式交换环境,所以关键在于将DSP资源适当配置,使网关的通道密度达到最大,而不在于各DSP都支持一切话音处理能力。当前的VoDSL和VoCable 市场上,重点是G.711(64Kb/s)和G.726(32Kb/s)两种编译码器及相应G.168回波抵消器。而更传统的VoIP和高密度应用系统正在执行G.723.1(5.3/6.3kb/s),G.728(16kb/s)以及带G.168 回波抵消的G.729等几种编译码器。

    网关DSP资源的另一个重要问题是,话音分组的处理工作有多少交由DSP完成。要知道,网关内话音的打包拆包所涉及的处理量相当大。

    如将这种操作全部交由控制处理器完成,则网关的信道密度势必降低。一种有效的办法是,在呼叫建立期间,将构成话音分组流所必须的VoP报头信息卸载,从而免去主机或控制处理器在呼叫激活时的负荷。

    理想的办法是,在呼叫建立与拆除阶段,控制处理器只需与DSP 上指定话音流交互操作。

    网关的VoP设计特别易于受到系统划分不良的影响。从以上对网关设计组件的描述可以推断,将操作正确地分配给硬件、软件和网关接口,关系到设计的成败。网关内的实时数据和话音流,在呼叫重负之下,有可能使某些设计组件达到饱和,尤其是网络控制处理器。在设计DMA控制和路由选择功能时须加小心,以使在处理话音呼叫的激活时,处理器间所进行的通信降至最低限度。

配置是关键

    随着VoP市场的扩展,CPE和中心局网关应用系统设计者提出各种各样的供货和配置要求。出于这一原因,设计者需要有各种可配置技术。

    设计者利用可配置DSP芯片,针对应用来定制算法,以提高性能,降低成本,减少功耗。除此之外还使整个网络易于扩减。毫无疑问,具有可配置资源的DSP芯片,与传统的微处理器加现货DSP方式相比,其前景必将越来越诱人。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/dsp/200605/2751.html
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