前言

由于計算機網絡技術發展與更新比PBX快，設備價格降幅大，建立一個以Internet（或Intranet）為基礎的IP電話網絡，以替代傳統電話設備系統成為企業的目標。

局域網IP電話

局域網IP電話使用統一的網絡通信設備和布線來傳輸話音和數據。 在傳統的PBX （專用小交換機）系統中，話音呼叫通過與辦公PBX連接的一系列標準話音線路進入辦公室，即通過一種專用設備在標準的電話配線上接收和疏導話音業務量。然而在LAN電話話音網絡中，話音呼叫通過基于IP的PBX進行接收和疏導，而這種IP PBX是與現有的數據網絡連接的。IPPBX可以是一種獨立的解決方案，也可以分解為幾種分散的裝置。具體功能框圖如圖1所示。

圖1 局域網IP電話功能模塊圖

該IP電話的主要優點：

該IP電話的主要優點：

　　可方便的移動和增加終端設備；

　　支持多媒體終端；

　　有利于發展計算機電話集成技術；

　　硬件平臺

通常硬件的基本設計要求是：高密度、低功耗和低成本。而VoIP的許多性能都對應特定的應用需求，諸如：(1)系統分割，包括分組數據包集合和路由；(2)定義產品功能的軟件性能；(3)滿足高可用性的網絡管理能力。

LAN電話產品工作在純IP方式下，所以話機在接入廣域網后，在網絡管理方面應該是兼容的。本方案的VoIP話機是一種網關下移的終端產品，無需通過網關就可將此設備直接接入以太網中，配置好相關的地址信息就可以使用。 它的開發基于Atmel公司的AT75C220開發板。AT75C220是專為各種因特網應用而設計的高性能處理器芯片。它的核心部件-ARM7TDMI微處理器運行能力為40MIPS,專門用于話音處理的OakDSPCore協處理器（圖2中的話音處理芯片），運行能力可達60MIPS.兩者之間信息的交互采用高效的雙端口mailbox機制。這就決定了AT75C220能綜合通用CPU的控制功能和專用CPU的信息處理功能，提高了系統的集成度，同時ARM處理器的操作指令比較簡單，降低了開發的復雜度。

AT75C220開發板除了具備用于連接計算機的標準串行接口和連接電話手柄的RJ11接口外，還有兩個標準RJ45以太網接口用于連接網守。ARM7TDMI核心處理器控制整個VoIP話機的運行，并提供通用I/O接口用于連接撥號鍵盤、液晶顯示器和振鈴電路。AT75C220的結構框圖如圖2所示。

圖2 AT75C220的結構框圖

開發板上裝有存儲應用程序的閃存（flash）。計算機利用超級終端程序通過開發板上的串行接口可以與AT75C220芯片進行信息交互，實現對flash的應用程序編程和其它軟件管理功能。開發AT75C220應用軟件的PC機必須啟動運行siap-mClinux操作系統。應用程序開發完畢后，通過220software set提供的工具將包含應用程序及操作系統內核的img文件下載到220開發板上的flash中，最終完成系統的開發。

VoIP話機的構造如圖3所示。其用戶接口部分與普通話機無異，顯示器用來顯示相關的信息，如發起呼叫時所撥的號碼、來電顯示等。此外，VoIP話機可以由串行口與個人數字助理（PDA）設備相連，實現軟件升級、自動撥號等功能。話音接口的功能是實現話音模擬信號與標準64Kbit/s PCM信號之間的相互轉換。網絡接口負責話音分組的發送和接收以及各種呼叫信令的交換。VoIP話機通過RJ45插頭與局域網上的網守相連。

　圖3　IP話機構造圖

軟件實現

該實現依賴于網絡協議棧和實時操作系統（RTOS）。多數應用系統需要RTOS以便同時處理多個流程和呼叫。 采用的RTOS應具有以下特點以滿足通信協議的復雜性：系統內核小；中斷處理時間短；連續運行時間長；多個毫秒級或微秒級定時器的處理能力。ARM-mClinux是非常優秀的嵌入式實時操作系統，它提供了多種用于實時系統開發、調試、和運行的功能，如多任務機制、內核可裁剪、網絡功能、實存儲器管理策略等。同時，Linux的內核源代碼是完全公開的，這對降低開發成本、提高軟件開發的復用度等方面無疑是十分有利的。 [page]  對于網絡協議棧，本方案采用標準的H.323協議棧，以便與公網進行互連。從TCP/IP的分層觀點來看，H.323是一個應用層協議族，它包含了適用于各種媒體通信和信令控制的協議，建立的基礎是TCP或者UDP協議。根據實際的使用需求，本文重點討論的協議有語音編碼方面的G.723.1、G.711等和呼叫控制信令H.225和H.245等。在CPU的正常設計能力下，系統所有的進程將會阻塞在各自的消息隊列中，只有處于最低的IDLE進程處于運行狀態，消息隊列中消息總數處于比較低的數量水平。增加進程可能要增加共用的數據區和內部消息，相應的還要引入復雜的管理機制。

基于上述軟件要求，該VoIP話機要能與符合H.323標準的網關和網守互通，并實現VoIP話機與VoIP話機及VoIP話機與網關所帶的普通話機之間的話音通信功能。此外，VoIP話機還應具備一定的錄音與重放能力。

對于IP話機而言，主要軟件實現在話機和網守的通信以及話機之間的互通，其呼叫流程如圖4.

　圖4　H.323呼叫信令流程

上述過程的通道實現機制是TCP或UDP.IP話機在成功登錄到網守后，其接續過程完全類似于普通話機之間的接續，摘機后向網守發“呼叫請求”（udp），網守收到后發“是否運行主叫撥號”（tcp），如果不允許的話，提示掛機；若允許的話，主叫在收到撥號音后開始撥號，向網守送“撥號信息”報文（tcp），網守向主叫發送“被叫空閑信息”報文（tcp），然后是分別向主叫和被叫送回鈴音和振鈴音。等待被叫摘機后，被叫向網守送“被叫摘機”報文（udp），網守向被叫送“停止振鈴”（tcp）， 網守向主叫送“被叫摘機”報文（tcp），進入通話（udp）狀態。有關話音的處理要涉及到220話音處理模塊。

網關向網守發送的報文：不管是高層用戶端向網守發送的登錄報文，還是IP話機或交換機側向網守發送的呼叫處理報文，都會先放置在名為mqRecvBottom的消息隊列中，然后根據報文所采用的傳送方式發往以下三個隊列：信令的TCP傳送_mqSendTCP;信令的UDP傳送_mqSendUDP;話音傳送_mqSendData（可以通過網守轉發，也可以直接在兩個網關之間發送），然后再通過socket發送出去。

幾個關鍵問題的解決

摘掛機檢測與號盤號碼接收

AT75C220提供若干用戶自定義的通用I/O接口。只需通過一定的硬件連接和軟件編程，就可以實現摘掛機狀態的檢測與用戶所撥號碼的接收。

來話振鈴

AT75C220內部寄存器中有專門指示有無來話的比特位。應用軟件定期檢測該比特，一旦發現有來話，立即通過某一個事先編程確定的通用I/O口送出振鈴指示信號，該信號可作為振鈴電路的使能信號。

話音處理模塊

話音處理的功能均由ARM7TDMI控制OakDSPCore共同完成。

在進行IP通話時，將模擬前端電路送來的64Kbit/s PCM數字話音信號進行壓縮，送至網絡接口模塊；同時將網絡接口模塊送來的壓縮話音信號進行解壓，形成64Kbit/s PCM數字話音信號送至模擬前端。

通過對OakDSPCore的靈活編程，VoIP話機可以方便地實現語音留言的錄音和回放功能。

在用戶從號盤撥號時，通過編程啟動OakDSPCore的DTMF信號發生器功能，在用戶聽筒里產生相應的雙音多頻信號。如果需要，該DTMF信號還可以象話音信號一樣經壓縮編碼后發送出去。

話音壓縮和解壓采用G.723.1算法。為了執行有效的語音壓縮，必須考慮很多重要的因素。首先，當所有通道都工作時，必須確保性能沒有任何下降。數據包必須是可配置的，以確保最大的靈活性。此外，本課題采用的G.723.1算法采用了話音激活檢測技術，VAD技術是自適應增益控制的基礎，能進一步實現帶寬壓縮功能，可以和自適應噪音發生器配套在一起使用。VAD技術使發送端能夠檢測本地發聲的間隙并在此期間不再發送完整的話音幀，而代之以比特量更少的靜態插入描述幀，此幀僅含有解碼器輸入端所需產生噪音的參數，使接收端據此產生適當的背景噪音，從而讓通話效果接近真實的條件，進一步降低編碼速率。VAD門限值的確定是準確判斷有聲/無聲的關鍵因子。比如長時間的連續講話會升高背景噪聲的估計值，以及相應的門限，從而使得緊接著發生的低幅值的講話未被檢測到。一個解決辦法是當檢測到話音時改變低通濾波器的截止頻率，也就是在有聲/無聲時采用了不同的方法估計噪聲能量。

話音質量網絡延時和抖動是影響語音質量的關鍵因素。打包也是影響時延的重要因素，打包的實時性和打包效率是一對矛盾，聚集多少信息量再打包與帶寬緊密關聯，必須找到一個恰當的門限。“抖動”是分組交換的特有現象。消除抖動的方法是接收方采用“抖動緩存器”來彌補分組網絡的不可靠。此緩存器可以是一個動態隊列，接收方根據RTP時間戳來確定網絡的流量狀況，從而適時的改變緩存器的大小。具體實現時可建立一個環形隊列指針表來管理占用的緩存區。若要簡單實現的話可以設定一個固定數目的數組，然后標識幾個標志位進行管理控制即可。此外，回波抵消也是重要方面之一，好的回波對消器要具有較短的收斂時間和很小的殘留回波，可靠地檢測重音，且能處理背景噪聲和窄帶信號。本課題中運用了DSP中的G.165算法最大限度的消除話音回聲。

結語

局域網IP電話作為一種新興通信終端產品，有著很大的發展空間，目前已出現多種樣品形式，但總的趨勢是：硬件簡單、集成度高，軟件的實時性、可靠性好，同時還需要支持多種業務類型。文中所提出的設計方案較好的把握了這一趨勢。該設備既能對用戶保持傳統電話的操作流程，又能與廣域網進行無縫對接，大大降低了通信成本，具有很強的實用性。