RISC/DSP融合可滿足VoIP產(chǎn)品的功耗、成本和性能目標(biāo)

引言：隨著VoIP被廣泛整合進(jìn)入WiFi中，實(shí)現(xiàn)成本、功耗和功能之間的平衡對(duì)設(shè)計(jì)提出了重大的挑戰(zhàn)。本文描述的具有DSP功能的嵌入式RISC處理器在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性、對(duì)功耗影響很小的前提下，為移動(dòng)電話增加WiFi電話功能提供了很好的解決方案。
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圖1：RISC+DSP方案的功能設(shè)計(jì)劃分。
WiFi電話(VoWiFi)的市場(chǎng)容量預(yù)測(cè)顯示，隨著消費(fèi)者持續(xù)采用VoIP技術(shù)，WiFi電話的市場(chǎng)容量將大幅增長(zhǎng)。這種預(yù)測(cè)結(jié)果引起了各地系統(tǒng)集成商和設(shè)計(jì)師的關(guān)注，許多設(shè)計(jì)公司爭(zhēng)相推出或研究新的解決方案以滿足這種即將到來(lái)的市場(chǎng)需求。雖然很容易發(fā)現(xiàn)WiFi電話解決方案的價(jià)值所在，但設(shè)計(jì)出能夠在成本、功耗和功能之間達(dá)到最佳平衡的市場(chǎng)暢銷產(chǎn)品對(duì)現(xiàn)有公司和新進(jìn)入的公司都提出了極大的挑戰(zhàn)。
隨著大眾普遍接受標(biāo)準(zhǔn)化信令格式－會(huì)話初始協(xié)議(SIP)，以及免費(fèi)易用的軟件電話包(如Skype)的出現(xiàn)，VoIP電話通話逐漸變得流行起來(lái)。隨著WiFi手機(jī)、PDA和能夠在蜂窩和WiFi網(wǎng)絡(luò)間漫游的雙模WiFi/蜂窩手機(jī)中VoIP被整合進(jìn)WiFi，VoIP正在進(jìn)入無(wú)線應(yīng)用。據(jù)市場(chǎng)調(diào)查公司In-Stat預(yù)測(cè)，雙模手機(jī)和WiFi單模手機(jī)的普通消費(fèi)和商業(yè)應(yīng)用總量在2009年將達(dá)到1.41億部。雖然這種應(yīng)用是迄今為止VoIP的最大市場(chǎng)，但把VoIP整合到如汽車系統(tǒng)和便攜式媒體播放機(jī)(PMP)這樣的其它的功率有限設(shè)備里也會(huì)給半導(dǎo)體供應(yīng)商帶來(lái)巨大的市場(chǎng)機(jī)遇。
毫無(wú)疑問(wèn)，如今功能豐富的手機(jī)的發(fā)展在功率有限電子設(shè)備中一馬當(dāng)先。最先進(jìn)的手機(jī)具有大屏幕LCD、照相機(jī)、藍(lán)牙和802.11b WiFi連接。用戶可以觀看或捕獲視頻、上網(wǎng)沖浪和檢查電子郵件。這種智能電話需要使用高容量的電池，電池容量可能比普通手機(jī)用的電池容量大三倍。但即使配備了高容量電池，在使用WiFi連接時(shí)其總的允許通話時(shí)間也會(huì)從典型的5小時(shí)左右下降至2小時(shí)不到。更糟的是，用戶必須采用成本大大增加、體積更大、更重的電池。而通常，電池使用時(shí)間和價(jià)格是消費(fèi)者最關(guān)注的因素。
在這些功率有限的電話設(shè)備中增加基于WiFi的VoIP功能需要增加支持802.11g WiFi、語(yǔ)音和IP網(wǎng)絡(luò)的軟硬件。雖然這聽(tīng)起來(lái)微不足道，但802.11g的實(shí)現(xiàn)特別具有挑戰(zhàn)性，要知道典型的802.11g筆記本芯片組在傳輸時(shí)消耗的電流要比整個(gè)手機(jī)在通話期間消耗的電流還要高。典型的手機(jī)在通話時(shí)功耗約600mW，而標(biāo)準(zhǔn)的WiFi無(wú)線設(shè)備在收發(fā)時(shí)的功耗高達(dá)800mW。在基于WiFi的VoIP通話期間，處理器和其它邏輯電路還要消耗額外的功率，因此WiFi電話的總功耗很容易達(dá)到1W的范圍。通話期間功耗增加400mW大約會(huì)縮短一半的總體通話時(shí)間。
即使處理器并不是這種系統(tǒng)中最耗電的器件，但為了降低整個(gè)系統(tǒng)功耗，也很有必要管理處理器的功率。電池技術(shù)的發(fā)展太慢，根本跟不上消費(fèi)者對(duì)更長(zhǎng)電池壽命和增強(qiáng)的功能的需求，因此處理器和系統(tǒng)電源的效率成為增加功能(此處為WiFi電話)可用的功率預(yù)算,并能夠在不降低用戶使用體驗(yàn)的條件下實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新服務(wù)的關(guān)鍵因素。對(duì)于支持VoIP的電池供電設(shè)備來(lái)說(shuō)，在滿足用戶使用性能的前提下，處理器的最佳選擇應(yīng)該是能實(shí)現(xiàn)最低功耗和最低成本的內(nèi)核。
VoIP的處理
包括雙模和WiFi電話手機(jī)在內(nèi)的大多數(shù)VoIP終端都需要同時(shí)支持1~2路語(yǔ)音通道，這確保能滿足雙方和三方會(huì)議通話的需求。每路語(yǔ)音通道由用于編解碼的ITU(國(guó)際電信聯(lián)盟)G.7xx算法、語(yǔ)音質(zhì)量(G.168-2000)和電話信令(SIP或H.323)組成。
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表1：DSP增強(qiáng)型RISC處理器上的語(yǔ)音處理。
一個(gè)VoIP設(shè)備必須支持多個(gè)編解碼類型，具體使用類型取決于各自的網(wǎng)絡(luò)要求。常用的編解碼標(biāo)準(zhǔn)有G.729AB、G.723.1、G.711和iLBC。語(yǔ)音質(zhì)量組件包括聲學(xué)回聲消除(G.167 AEC)、語(yǔ)音活動(dòng)檢測(cè)(VAD)和舒適噪聲產(chǎn)生(CNG)以及抖動(dòng)緩沖：回聲消除用于濾除語(yǔ)音的回聲，VAD用來(lái)編碼和壓縮語(yǔ)句間的靜音，而CNG用來(lái)在電路或環(huán)境導(dǎo)致的噪聲情況下提供語(yǔ)音檢測(cè)。抖動(dòng)緩沖可以確保不管經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)有多大，語(yǔ)音包括都能以正確的順序得到處理，同時(shí)使包的丟失最少。其它組件還有像用于語(yǔ)音郵件和尋呼的雙音多頻(DTMF)信號(hào)系統(tǒng)撥號(hào)這樣的電話算法、基于SIP或H.323的通話建立控制。實(shí)際上，上述標(biāo)準(zhǔn)目前已經(jīng)很普遍，但任何VoIP應(yīng)用都需要具備軟件可升級(jí)性，語(yǔ)音編解碼和通話控制標(biāo)準(zhǔn)還在不斷發(fā)展，因此現(xiàn)在的設(shè)計(jì)能夠支持可能出現(xiàn)的新的語(yǔ)音算法或標(biāo)準(zhǔn)是非常重要的。
這些算法的處理傳統(tǒng)上都是在雙內(nèi)核系統(tǒng)上進(jìn)行的，系統(tǒng)中的通用處理器用于控制和管理功能，DSP內(nèi)核用于語(yǔ)音編解碼和高質(zhì)量的算法處理。如表1所示的頻率評(píng)估那樣，如今整合了RISC和DSP功能的嵌入式處理器足夠?yàn)槿p工通道提供執(zhí)行這些運(yùn)算所需的帶寬。雖然每個(gè)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)DSP功能的方式不同，因此處理語(yǔ)音算法的效率有高有低，但是設(shè)計(jì)師可以采用一種通用規(guī)則，即一個(gè)全雙工通道使用約100MHz的帶寬或100MCPS(每秒百萬(wàn)周期)。在DSP性能得到增強(qiáng)的RISC內(nèi)核上，這個(gè)帶寬一