VINETIC語音處理器在VoIP解決方案中的應(yīng)用

  在提供低成本電話服務(wù)的競爭性電信運營商（CLEC）的推動下，IP語音技術(shù)（Voice over IP，簡稱VoIP）已經(jīng)做好了大規(guī)模部署的準備，并集成到了老牌電信運營商（ILEC）網(wǎng)絡(luò)中。

  但是，一直以來VoIP服務(wù)質(zhì)量的欠缺阻礙了其真正成為傳統(tǒng)的老式電話業(yè)務(wù)（POTS）的威脅。不過，以后這種情況將不復(fù)存在。芯片制造商們正在采取重大措施，確保通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)恼Z音服務(wù)質(zhì)量（QoS）與POTS完全相同。

  VoIP為服務(wù)提供商帶來了新機會。由于VoIP能將數(shù)據(jù)和語音服務(wù)集成在一起，因此它可實現(xiàn)多種應(yīng)用。為了滿足不同應(yīng)用的獨特要求，出現(xiàn)了多種經(jīng)過優(yōu)化的芯片解決方案。本文將說明這些先進的芯片組和片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)備如何滿足服務(wù)提供商嚴格的QoS要求，同時闡述它們?nèi)绾螌崿F(xiàn)多功能、高質(zhì)量、全面集成的VoIP系統(tǒng)設(shè)計——這些系統(tǒng)將為VoIP技術(shù)的總體成功做出貢獻。

QoS性能參數(shù)和功能模塊
  在VoIP領(lǐng)域經(jīng)常遇到的一個詞是QoS。對于VoIP而言，其重要性主要是體現(xiàn)在語音質(zhì)量上。人耳對延遲、背景噪聲和其他線路干擾非常敏感，這些干擾在VoIP里通常是由于回波、抖動和丟包引起的。為了實現(xiàn)高語音質(zhì)量，VoIP解決方案的所有組件必須以最佳方式進行調(diào)節(jié)。

  為了更好地了解新解決方案如何克服QoS挑戰(zhàn)，讓我們先看看這些挑戰(zhàn)是什么。

  ● 抖動——指語音包抵達的不規(guī)律性。典型語音源以恒定速度生成語音包。然而，在IP網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包并非始終都是按照原來的順序抵達目的地——換句話說，抵達速率并非恒定的，并因此造成抖動。

  ● 回波——指聽到自己聲音的回聲。換句話說，回波就是聲音向接收方傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)泄漏。

  ● 延遲——也稱為遲延，指語音信號穿過網(wǎng)絡(luò)從起點傳輸?shù)浇K點所耗的時間。人耳對超過50ms的延遲非常敏感。由于IP是“最大速率（best-effort）”連接，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)里的語音包經(jīng)常遭遇延遲。

  ● 無聲階段——指通話一方聆聽另一方的階段。在這種情況下，沒有必要發(fā)送無聲數(shù)據(jù)包。

  ● 丟包/遲包/早包——這些包不能及時將信息傳輸?shù)秸Z音流中，因此其中的語音信息被丟棄。這種包的數(shù)量越高，語音質(zhì)量越低。壞幀掩蔽（BFM）——也稱為壞幀移植（BFI）或丟包隱蔽（PLC）——可覆蓋一些破壞信息。

VoIP系統(tǒng)構(gòu)件
  圖1顯示了VoIP系統(tǒng)的主要構(gòu)件。

圖1 VoIP系統(tǒng)構(gòu)件

圖2 典型的VoIP包

  在VoIP系統(tǒng)中，語音數(shù)據(jù)以IP包的形式接收（下行）。在網(wǎng)絡(luò)處理器里，帶有正確IP地址（標記為“語音服務(wù)”）的數(shù)據(jù)包被選中并被除去IP報頭。通用數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）報頭然后確定正確的語音端口。圖2顯示了典型的 VoIP包。在除去UDP報頭后，RTP（實時協(xié)議）報頭被發(fā)送到抖動緩存里。

  抖動緩存對VoIP網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的語音質(zhì)量有著非常重要的影響。抖動緩存的任務(wù)是存儲語音包以便覆蓋包抖動。此外，IP網(wǎng)絡(luò)沒有固定的傳輸路徑，因此，每個數(shù)據(jù)包從起點到目的地可選擇不同的路線。這意味著包很少能按照與發(fā)送相同的順序抵達。抖動緩存通過確定抵達時間以及適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時間的變化，對數(shù)據(jù)包進行重新排列，恢復(fù)正確的順序。VoIP系統(tǒng)通常采用適應(yīng)性抖動緩存，可以最好地適應(yīng)IP網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性質(zhì)。最后，正如上面提到的那樣，人耳對語音質(zhì)量非常敏感。因此，抖動緩存必須進行優(yōu)化，以便最小化抖動和延遲，而不會造成緩存錯誤（buffer under-run），導(dǎo)致語音中斷。

  抖動緩存與播放單元密切協(xié)作。播放單元負責(zé)在正確的時間播放合適的數(shù)據(jù)包。如果由于遠程站點更高的取樣率導(dǎo)致抖動緩存里的數(shù)據(jù)包太多，播放單元必須丟棄數(shù)據(jù)包或取樣。如果沒有數(shù)據(jù)包，它必須通過類似數(shù)據(jù)彌補語音間隔。

  在并行方向，語音事件和無聲階段必須進行探測，并且需要生成合適的音調(diào)或噪聲。

  在播放單元之后，語音被解壓縮，然后發(fā)送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器，后又傳輸?shù)接脩艟€路接口電路（SLIC）。SLIC進行4-2線轉(zhuǎn)換（混合），然后將信號發(fā)送至模擬電話。

  與此同時，在上行方向，或被稱為發(fā)送方向，來自電話的模擬語音信號經(jīng)過SLIC和數(shù)模轉(zhuǎn)換器發(fā)送到語音處理單元。這里的第一個裝置是線路回波消除（LEC）單元。由于客戶端設(shè)備或線路卡的額定阻抗與電話實際阻抗之間存在不匹配現(xiàn)象，向2線接口的轉(zhuǎn)換會造成回波。模擬電話的回波尾隨脈沖長度通常在4ms的范圍內(nèi)。在IP環(huán)境中，所有VoIP供應(yīng)商都必須確保最大限度地消除系統(tǒng)回波。由于在IP系統(tǒng)里，延遲通常更高，因此實現(xiàn)回波消除至關(guān)重要。當(dāng)回波消除到接近原始狀態(tài)時，可獲得最好的效果。這被稱之為近端回波消除。

  一旦回波從系統(tǒng)中消除，語音將進行壓縮并封裝為RTP數(shù)據(jù)包。與此同時，信令事件，比如調(diào)制解調(diào)器音調(diào)或DTMF（雙音多頻）音，被探測到，并且向網(wǎng)絡(luò)處理器發(fā)出通知，在必要的情況下通過編碼器自動轉(zhuǎn)換成事件包。語音包然后被傳輸至處理器，在此，他們相應(yīng)的UDP和IP報頭被添加，然后發(fā)送至以太網(wǎng)端口。
上面描述的流程僅與語音呼叫相關(guān)。傳真呼叫則利用T.38傳真中繼進行不同的處理，以改進傳輸質(zhì)量和性能。T.38是運行在網(wǎng)絡(luò)處理器上的協(xié)議，負責(zé)雙方的“連接”。此外，T.38要求將傳真信號調(diào)制和解調(diào)成數(shù)據(jù)包。傳真呼叫探測與上述音調(diào)探測相同，而取代壓縮/解壓算法的是調(diào)制/解調(diào)固件。

  VoIP要實現(xiàn)高的服務(wù)質(zhì)量，要求VoIP設(shè)備不同組件之間進行良好交互。語音數(shù)據(jù)包的傳輸必須在盡可能短的時間內(nèi)完成，而且必須盡快處理所有數(shù)據(jù)包，以便確保語音質(zhì)量與傳統(tǒng)電話服務(wù)相同。英飛凌科技公司的VINETIC語音處理器家族能夠克服這些挑戰(zhàn)。通過將編解碼器和語音處理功能集成到一套設(shè)備里，VINETIC能夠?qū)⑺袑崟r和性能關(guān)鍵型功能封裝在一起。這樣就可輕松實現(xiàn)模塊化配置，在使用相同的網(wǎng)絡(luò)處理器和軟件的條件下，能按照需要配置多個語音端口。

VINETIC語音處理器
  英飛凌科技公司的VINETIC語音處理器家族包括多個可靈活伸縮的設(shè)備，這些設(shè)備在引腳和軟件方面互相兼容，可提供2模擬端口和4模擬端口版本。對于VoIP而言，VINETIC-VIP和VINETIC-M是專用設(shè)備，可將組包功能集成到設(shè)備里。VIP版本具有全面功能：G.729A/B/E、G.728、G.723.1、G.726和G.711壓縮和T.38傳真中繼數(shù)據(jù)泵。M版本體積略小，通過利用  G.711或G.726允許語音占用更多帶寬，從而實現(xiàn)更低價格。
VINETIC家族還包括針對不同應(yīng)用的特殊要求進行優(yōu)化的多種SLIC設(shè)備，例如，成本優(yōu)化型CPE振鈴SLIC和CO級非振鈴和振鈴SLIC。

應(yīng)用和解決方案
  在了解VoIP設(shè)備流程之后，讓我們看看不同的VoIP應(yīng)用。下面是VoIP的一些主流應(yīng)用，同時不同的供應(yīng)商還推出了一些各不同相同的應(yīng)用。

  1 支持語音功能的寬帶路由器
  第一個應(yīng)用是帶有VoIP功能的寬帶路由器。圖3顯示了一套路由器裝置，可提供一個以太網(wǎng)上行鏈路和多個以太網(wǎng)下行鏈路。無線LAN（WLAN）通過網(wǎng)絡(luò)處理器的PCI 接口支持。VoIP語音連接通過使用VINETIC-2CPE（連接有振鈴SLIC以便將語音直接集成到數(shù)據(jù)系統(tǒng)里）進行添加。作為特殊選件的FXO接口（中繼接口）也顯示在圖上，允許將本地呼叫直接路由至PSTN線路。

圖3 支持語音功能的寬帶路由器

圖4 模擬電話適配器

  2 模擬電話適配器
  第二種應(yīng)用是眾所周知的模擬電話適配器（ATA），圖4顯示的是成本優(yōu)化型版本。在電纜調(diào)制解調(diào)器領(lǐng)域的相同應(yīng)用也被稱之為獨立媒體終端適配器（SMTA）。

  ATA是僅支持語音的應(yīng)用，沒有數(shù)據(jù)服務(wù)。 它通過以太網(wǎng)接口與調(diào)制解調(diào)器或路由器進行連接。可選擇第二個以太網(wǎng)端口，但數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)只是進行轉(zhuǎn)換。VoIP語音服務(wù)是通過VINETIC-2CPE和高成本效率網(wǎng)絡(luò)處理器或微型控制器實現(xiàn)的。這種設(shè)計使系統(tǒng)廠商能針對成本敏感型市場應(yīng)用開發(fā)小型VoIP設(shè)備。

  3 VoIP線路卡
  第三個例子是VoIP線路卡，顯示了多信道VoIP解決方案的特征，如圖5所示。

圖5 VoIP線路卡

  圖5中的線路卡反映了通過利用VINETIC設(shè)備實現(xiàn)的模塊化特征。所有POTS端口都處于并行狀態(tài)，并與一個高成本效率的網(wǎng)絡(luò)處理器進行連接。由于語音處理和組包在VINETIC設(shè)備內(nèi)進行，處理器的功能就是充當(dāng)不同語音端口的匯總電路，將他們傳輸至單一以太網(wǎng)接點。

  VINETIC-4VIP設(shè)備適用于包含G.72x聲碼器和T.38傳真中繼的成熟的VoIP服務(wù)。VINETIC-4M和VINETIC-4S是兩款引腳和軟件相互兼容成本節(jié)約型設(shè)備，比VINETIC-4VIP功能略少。

  VINETIC-4M是VINETIC-4VIP的簡化版本，可僅提供G.711和G.726編碼，同時保持非阻斷型VoIP系統(tǒng)。VINETIC-4S使用“共享線路卡”架構(gòu)。VINETIC-4VIP設(shè)備與VINETIC-4S設(shè)備（純粹的TDM設(shè)備）在線路卡上混合在一起，同時保持針腳和軟件的兼容性。由于與VINETIC-4VIP設(shè)備連接，與TDM設(shè)備連接的語音信道可路由至4VIP設(shè)備上的VoIP塊。這樣做的結(jié)果是為充分考慮語音端口使用率（Erlang系數(shù)）的線路卡節(jié)省成本，同時使系統(tǒng)廠商保持全面的靈活性。