FPGA推动语音数据业务的综合

过去几年里，通过Internet人们之间的数据交换变得非常频繁。仅去年全世界的电子邮件数量就达到6.9万亿之多。通过同一主干网络进行语音传输的动力越来越大。本文概述了语音数据综合技术，以及FPGA（现场可编程门阵列）在推动语音数据综合的作用。

语音数据综合（IP语音传输协议）

语音数据业务的网络综合是指通过同一网络同时传输数据、语音和视频的能力。VoIP语音传输，也称为IP电话，就是采用Internet协议分组的形式进行语音传输。

目前的语音电话基于电路交换基础设施，采用PSTN网络（公共交换电话网络）。呼叫建立后，在整个呼叫持续时间内，PSTN系统为其保留一个64Kbps带宽的固定端到端信道。一个语音呼叫通常不会占用整个信道带宽。

在VoIP网络中，语音的分组是实时进行的。VoIP还大大降低了需要的带宽，因为可以同时传输多个分组。配合采用SSS7及TCP/IP网络来完成呼叫的建立和释放，同时还采用了地址解析协议（ARP）。语音IP分组的传输过程过程是这样的：

*步骤1：将模拟语音信号转换成性脉码调制（PCM）数字位流（每125μs 16位）；

*步骤2：从PCM位流中去除线路回声，并通过分析进行静音压缩和音调检测；

*步骤3：将最终的PCM样本数据转换成语音帧，再通过语音编码器进行压缩。G.729a采用10字节语音数据表示10ms的语音。它可将129kbps的线性PCM位流压缩为8kpbs；

*步骤4：语音帧集成到语音分组中。首先，生成一个具有12字节标头的RTP分组。然后再加下一个包含源及目标地址的8字节UDP分组。最后，再加上包含源及目标IP地址的20字节IP标头；

*步骤5：分组通过Internet传输，路由器和交换机检查目标地址并钭分组传送到目标地址。IP路由可能会越过不同的网络并通过许多节点；

*步骤6：当目标接收到分组后，分组经过相反的过程实现语音的回放。

    IP分组是按顺序编号后传送到目标地址的。接收端必须按正确的次序将分组重组（当分组到达次序变化时）以产生语音。IP地址和电话号码也必须正确地进行映像。

市场

1998年的VoIP设备销售达6100万美元，预计到2003年时将超过38亿美元。VoIP市场也将从2000年时的77亿分钟，发展到2005年时的5000亿分钟。还预测VoIP网关设备的市场将从2000年的12亿美元增长到2005年的100亿美元。

VoIP的变化形式

*IP传真（Fax over IP,FoIP）采用VoIP类似的技术提供传真服务；

*DSL语音（Voice over DSL,VoDSL）通过DSL网络进行VoIP传输。VoIP网关将VoIP业务连接到一个5类语音交换网络和PSTN网络，

*有线电视电缆语音传输（Voice over Cable,VoCable）采用有线电视电缆基础设施提供Internet和语音传输服务。

设计IP语音系统所面临的挑战

为了实现语音和数据传输业务的综合，需要克服几个障碍。如要在一个网络基础设施内有效地满足本质上不同的两类业务传输的要求。语音和视（多媒体）流需要恒定的带宽，并且对网络的延迟很敏感。数据业务则是猝发式的，对网络的延迟相对不那么敏感。数据网络的无连接本质意味着：不同的数据业务是在实时的基础上竞争带宽的。

虽然专用分机交换（PBX）设备基于专用设计，IP电话产品则完全基于Internet协议，而且是一个基于开放标准的不断演化的技术。设计人员需要遵守标准，因此为产品的验证和测试带来很大的工作量。

VoIP产品的语音质量还必须能够与电话交换系统的质量相比。影响语音质量的因素包括线路噪声、回声、采用的语音编码及网络延迟。此外还需要在IP分组交换网络基础上提供与电路交换网络相似的特性，如呼叫等待、免费号码、信用卡付费、来电ID显示以及三方呼叫等。

综合网络要进行语音和视频的传输必须支持服务质量（QoS）。QoS是指网络向用户提供可保证的服务水平的能力。服务水平通常包括诸如最小带宽、最大延迟以及抖动（延迟的变化）等的参数。

VoIP语音处理

语音处理功能包括下述内容：

*PCM接口 处理PCM数据，功能包括压缩扩展及再取样等。这一模块还包括双音频产生器，负责产生双音多频信号和呼叫过程所需要的音频信号；

*回声抑制单元根据ITU G.165或G.168标准对全双工的语音端口信号进行回声抑制；

*语音活动检测器在静默时，没有语音信号的情况下，限制分组数据的传送；

*音频检测器检测接收到的双音多频信号，并分辨语音和传真的信号；

*语音编码单元对语音数据压缩以后传输。在VoIP应用中有几种不同的编码解码方法可用来进行语音数据流的压缩。表1比较了不同的ITU编码解码方法。MOS（平均主观分数）是通过主观的评价过程就声音质量所打出的平均分数；

*语音播放使接收到的分组缓冲，并将之输入到语音编码解码电路中解码进行回放；

*分组语音协议 使压缩后的语音数据封装，以便通过数据网络进行传输。

利用FPGA实现VoIP产品

大容量VoIP网关

VoIP网关支持上百条线路，但预见到VoIP将从试验阶段进入成熟采用阶段，系统供应商正致力于将密度提高到上千的范围。

表1 语音编码标准

由于处理这么多信道需要十分强大的处理能力，因此构造高容量系统的工作充满了挑战。现在在此类系统中采用了高性能DSP阵列，同时采用H.110 CT总线在线路接口卡和PSTN系统间传输PCM语音流。此外，还包括DS1、DS3或ATM端口及一般运行SS7信令软件的一个管理处理器。因此一块语音处理卡包括DSP、存储器、微处理器（完成控制、信令和数据处理功能）、H.110兼容总线接口和10/100以太网接口。所以需要相当数量的复杂连接逻辑，包括PCI桥、存储器控制器和数据通道FIFO。FPGA在网关中可用作：

*系统级连接逻辑 实现专用的PCI主机桥、DSP与处理器接口逻辑、存储器控制器、数据路径开关和FIFO功能；

*回声消除 在实现高性能FIR滤波器和相关器之类的功能时，FPGA比DSP更有效；

*语音编码 采用FPGA实现ADPCM核心，可以处理八个完全双工的数据流，并支持G.721、G.723、G.726、G.726a、G.727及G.727a的ITU标准。

IP电话

IP电话连接到一个局域网（LAN）而不是传统的电话插座。实际上IP电话是具有内置VoIP网关和局域网接口电路的电话。此类系统中处理功能通常分为一个DSP处理器作语音处理，和一个RISC处理器完成的信令、系统管理和网络协议处理。

图1示意一个典型的IP电话结构。包括一个语音编码解码器（完成A/D和D/A）、用户接口逻辑（按键盘、状态显示及振铃信号的音频指示器）以及可选数据（串行）端口（完成如PDA同步等功能）。可编程逻辑解决方案可为产品带来自已的特色以及与多种技术的接口。

*系统和用户接口逻辑：PCI、RS-232串行端口和其它连接逻辑功能；

*局域网（LAN）、家庭网络和无线局域网接口：IEEE802.3、HomePNA/IEEE802.11、HiperLAN2、HomeRF等；

*DSP、语音编码解码器。

FPGA可实现网络处理器与交换结构接口所需要的复杂功能，或者实现基础设施接口所需要的其它ASSP功能。FPGA还可以用作网络处理器的专用协处理器。在此类应用中，FPGA用来加速复杂的帧处理算法，如：业务分类、业务调度和定形、复杂的策略、以及队列管理。

结论

Internet电话已成长起来，并成为目前主流通信手段的一部分。虽然技术比较复杂，但它却为消费者和企业节约了成本和带宽。FPGA为开发和构建VoIP网关和解决方案的系统设计人员提供了一个低风险：低成本的方式。因此，FPGA可推动数据和语音业务的综合的发展。