利用DSP技术与软件的企业IP电话解决方案

引言

    从最初的概念展示，一直到目前的广泛应用，VoIP（Voice over IP）市场的成长可说极为快速。透过VoIP网关的实际安装布署，下一代的电信厂商不但已经开始提供全球性的IP电话服务，其成本也低于传统的通话方式。事实上，只要利用现有的分组交换网络基础设施，然后再使用IP电话网关以及客户端设备，厂商就可大幅降低电话服务的成本，这包括了语音与传真服务。今天，在所有实际应用的VoIP解决方案中，几乎都可以看到数字信号处理器（DSP）的踪迹，在这些解决方案的成功经验中，DSP芯片与软件都扮演了极为重要的角色。目前，许多企业的电话系统都采用专用电话交换机设备，因此为了继续支持这些服务，下一代的IP电话产品也会提供这些企业IP电话功能；这些IP电话将连接到企业的局域网络，减少企业所需的基础设施与维护成本，并且将更多的新功能提供给企业用户（见图1）。值得注意的是，在IP电话的核心技术当中，DSP解决方案将是重要的一部分。

实现中挑战

    成本

    IP电话是以局域网络为联机基础，要让它们应用成功的关键因素就是降低产品的成本，否则就算这些IP电话能够做到它们所承诺的额外功能，但其成本无法与专用交换机竞争，那么IP电话的大规模应用就无从实现。因此，整合解决方案（芯片与软件）不仅对于IP电话的功能和性能极为重要，也将降低产品的成本。从这个角度来看，IP电话的核心解决方案必须满足重要的价格点，并且提供现有产品尚未具备的功能，这样才能取代专用交换机电话系统。

    品质

    企业IP电话与VoIP网关类似，都会处理电话的功能（使用者声音以及相关的播号响铃），然后传送到一个分组网络；由于分组网络有其独特的工作方式，因此若想用它来实现一套语音解决方案，就必须先克服一些困难。举例来说，分组交换网络常发生包丢失、包传送的延误以及封包抵达速率的变动（通常被称为jitter扰动），这在网络负载很大的情形下特别严重。而在运转顺利的已安装VoIP解决方案中，都采用了适当的技术来减轻这些网络因素的负面效应，因此对于企业IP电话解决方案来说，应该利用这些已安装系统的成功经验，并且吸纳它们的功能特色。由于这些IP电话是以局域网络为基础传输架构，因此它们的语音取样速率就不限于传统的8 KHz频宽（这会将声音的频宽限制为4 KHz），可以采用宽带语音编码／译码器；这样，IP电话可以大幅提升语音传输的品质，让通话效果远胜于目前的电话系统。

    延展性与灵活性

    不仅在产品的功能特色上，IP电话必须满足现有的标准与需求，它还必须提供系统的延展扩充性，让产品增加更多的新功能。当第一批IP电话解决方案投入实际应用之后，最初的使用者将会提供宝贵的反馈意见，具有创意的厂商则会在IP电话的核心平台上，发展更多具有附加价值的功能。要能够快速而有效率地扩充这些解决方案，关键在于IP电话架构中可重复编程DSP技术的使用。

    产品上市时间

    随着整合式IP电话解决方案的推出，如何尽快让IP电话产品上市，将成为IP电话厂商的主要竞争目标。IP电话制造商将利用本身资源来使用户界面增值，并且提供完整的套装产品，然后由整合方案供货商来提供核心的VoIP技术。

IP电话解决方案的架构

    语音接口会利用编码器将手机或是麦克风所传来的模拟声音转换成数字信号；同样的，处理器也会在同一回路中通货译码器将数据流从数字信号转化成模拟语音信号传送给对方一个编码／译码器就可以支持手机的基本电话功能，但是对于一个功能较全电话，例如喇叭与麦克风分开的扩音电话（speaker phone），我们就必须使用一个双信道的编码／译码器。

    网络接口可使局域网雨点环间相互收发语音包对企业的局域网络来说，它通常是执行TCP/IP通信协议的10BaseT或100BaseT以太网络，因此IP电话解决方案也应支持这两种以太网传输速率。为了避免对基础设施的线路重新施工，IP电话应该提供第二个RJ-45以太网插座，让PC可以直接使用这个插座，并且分享插座上的同一条线路。

    用户界面提供了一般的用户显示与通话管理功能，其中至少必须包含一组拨号按键（0-9, *, #）以及一个来电音频提示器；此外，许多电话也提供了一个小型的屏幕，可显示来电号码以及其它的信息。IP电话的产品差异化主要体现在用户界面上。

    处理器核心是IP电话的关键所在，负责执行各种电话功能，包括语音处理、呼叫处理、协议处理以及网络管理软件。在语音处理的部分，包含了语音压缩、回波消除、拨号音的产生...等等；基本上，这些都属于信号处理的范畴，在目前VoIP产品上，都是由DSP芯片来完成。至于呼叫处理、通信协议的转换、网络的管理以及用户界面的支持，这些则属于一般性的处理功能，是由一个RISC处理器或是其它的微控制器来执行。

    选用适当的处理器对顺利地执行这些功能至关重要。今天，DSP的应用已经相当广泛，而且在信号处理功能的执行上，采用了最佳化的设计，因此若要执行这些语音相关功能，那么DSP不但是最有效的引擎，而且所须的脉冲周期数目也会少于其它的处理器；这些优点导致更少的芯片以及更短的代码，于是产品就只需要更少的语音处理内存，将IP电话解决方案的成本减到最少。除了现有VoIP应用产品最常执行的语音处理功能之外，对于IP电话中的全双工与半双工通信功能来说，回波消除与抑制也是提高通话品质的重要手段；另一方面，要让IP电话的通话品质超过一般的付费电话，那么使用宽频带的语音编码／译码器也是方法之一。由于这两项功能都需要信号处理的算法，而且它们在DSP芯片上的执行也最有效率，因此在IP电话的架构中，就包含了一个可重复编程的DSP处理器以及一个微控制器单元 － 前者负责执行语音和信号的处理，后者则负责执行其它的功能（见图2）。

DSP的功能特色

    PCM接口:接收来自模拟接口的PCM采样信号，传送给适当的DSP软件模块并加以处理；此外，它还会把处理过的PCM采样信号送给模拟接口。

    拨号音产生器:除了可产生拨号音之外，这项功能还会根据用户接口的按键状况，产生频带内的双音复频数字信号（DTMF digits）给网络。

    回波消除器与抑制器：对支持全双工的扩音电话功能，需要一个符合G.167标准的回波消除器，才能消除接收器麦克风收集的回音；而半双工扩音电话则需要回波抑制的功能，避免说话者的声音从墙壁、窗户、家俱或是其它的地方反射回来，造成回音。

    语音激活检测器（VAD；Voice Activity Detector）:为了对频宽做最有效的利用，我们必须检测语音激活，并且视需要来激活或是停止包的传输。不说话就没有话音激活，这段期间，网络中没有编码输出。语音激活检测器所必须解决的最大问题是如何分辨话音与非谈话内容的背景噪声，我们可以利用这项功能来节省网络的频宽，因为在一般的通话过程中，几乎有一半的非话音时间。

    舒适噪声产生器:如果使用了话音激活检测器，在交谈暂时中断的时候，必需让电话产生一定强度的噪声，使对方不会以为线路已经中断。舒适噪声产生器以及话音激活检测器合作提供强度和长度都很适当的噪声信号。

    语音编码／译码器:对用户所传来的数据流，由语音编码／译码器（vocoders）来进行压缩与分组；除了G.711编码标准之外，也需要普通的语音压缩标准，包括 G.723.1A（5.3和6.3 kbps）以及G.729AB（8 kbps）。若要提供高保真度的声音，就需要一个G.722（7kHz 语音带宽）的宽频带编码／译码器。

    分组补偿（Packet Playout）:针对网络传输的延迟、传送过程的扰动以及分组丢失，执行适当的补偿处理。为了加强补偿效果，IP电话会使用许多的专利技术。

    分组协议的封装:对送至网络接口的分组话音数据进行封装。在VoIP的应用产品中，这个封装工作由「实时传送协议层」（RTP；Real-time Transport Protocol）来进行，它直接在UDP上面运行。

    利用现有的VoIP DSP软件，不但可满足企业IP电话的大部分质量要求，还可降低新产品的风险，并且增加应用的信心。对于IP电话的制造商来说，若能在IP核心技术中采用已实证的DSP软件，他们就可以把工作重点放在使产品差异化所需的增值性能上，并且缩短新产品上市时间。

结论

    要克服IP电话解决方案所面对的挑战，可重复编程DSP技术起了关键作用，因为它不但为最佳化的语音处理提供了一个基础，还让产品的升级与成长更有灵活性。随着VoIP网关、交换机以及客户端设备的广泛应用，它们不但解决了企业IP电话架构执行中的许多问题，还降低了满足质量要求的风险，并且缩短了市场渗透策略所需的产品上市时间，这对于IP电话普及非常重要。最后，要让企业IP电话在市场上成功，关键是采用一套最佳设计的系统（硬件与软件）解决方案，以及满足现在与未来市场的成本控制方法。