目前互联网普遍采用的语音网关具有语音、传真、调制解调器和数据处理等功能。语音网关需要执行复杂的DSP功能和复杂的网络协议,它必须具备基于DSP的结构,以满足快速处理器、宽带总线和高效操作系统等要求,这样的结构将使设计工程师在设计网关时游刃有余,开发出的产品既新颖又便宜,而且风险小。
Yogendra Jain
DSP设计中心副总裁
RadiSys公司
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随着IP电话业务和技术的发展,通信设计技术正在发生根本性变革。设计工程师需要完全掌握语音网关的结构和集成,以开发出桥接电话和分组数据网络的解决方案。
分组语音网关的主要功能是连接传统语音电话链路和分组网络链路。例如,互联网电话网关可将分组打包的压缩语音和时分多路复用(TDM)链路上的脉冲编码调制(PCM)语音相互转化。本文将探讨开发网关时需要了解的基本结构方面的问题。
图1阐明了一个典型的语音网关结构。这些系统应该既能处理TDM信息也能处理IP信息。以前的很多电话设备只处理TDM信息。在我们的设计里,H.110总线提供TDM服务,而从属CPU上的LAN接口以及DSP的子模块提供IP接口服务(IP也能通过CPCI总线传送)。
很多支持语音的网络也要支持传真,在有些情况下,还得支持几个调制解调器通道。因此,DSP必须具有动态处理语音/传真/调制解调数据的能力,从而节省编码转换和多任务处理的成本。
网关的作用是与其它网关通信,因此,在信令、压缩和IP头格式方面必须按照标准的要求进行设计。
设计和连接
本文设计的网关基于CPCI结构,以奔腾芯片作为系统控制器,采用Windows NT操作系统。除了主要的PCI总线外,系统还有H.110总线,通过J4连接器传输TDM,可承载4,096个TDM信道。为完成TDM信息流的交换,必须使用H.110总线和交换机。H.110总线的前身是多厂商集成协议(MVIP)和信号计算系统结构(SCSA),通常是用于板间通讯的电缆连接,而不是背板总线。TDM使用不同的时隙承载多个语音信道,而交换机可将承载于某个时隙上的物理信道交换到另一个物理信道的时隙上。电信I/O和用户I/O等其它功能由CPCI总线的J5连接器提供,提供非总线型的电信I/O接口功能,例如E1/T1接口功能。J3连接器可专用于以太网、光纤信道、IEEE 1394或专有总线等用户I/O。
主CPU不仅是整个系统的主控器/监视器和资源管理器,还要处理系统级的监控、LAN和用户接口。某些应用中,可能要求它处理信令(SS7、H.323)或媒体网关控制协议栈(MGCP、MEGACP、SIP)。其它应用可能要求CPU运行语音识别数据库和程序。单个主CPU不能完成这么多功能。设计工程师可以用一个或多个从属CPU来处理这些协议栈和应用。
DSP是基于TI公司DSP处理器的CPCI板。这些板的PCI总线上有PCI夹层连接器(PMC)槽,可插入E1/T1、以太网、DSP芯片组、ATM I/O或其它用户自制板卡。除连接PCI总线外,这些连接器还可与TDM总线和电信I/O接口相连。
板上的专用i960处理分组数据和TDM数据,执行LAN/WAN协议栈,处理HDLC并管理DSP。这类I/O协议栈大多不能由CPU执行,因为其程序较大而且需要一定程度的实时处理。改用DSP执行这类程序,除要耗用DSP资源,还需要大量的软件移植、测试、验收和集成。
这种网关结构可以在主处理器的本地PCI总线、主PCI总线或某个PMC卡上支持特定的LAN连接。LAN协议(TCP/IP)可以在主处理器或i960处理器上运行。在广域网应用中,主要I/O是通过E1/T1对公用电话网络(PSTN)进行访问。图2所示,用PMC I/O卡实现E1/T1广域网连接。T1承载24个时隙,而E1承载32个时隙,连接到PSTN PCM/TDM数据流上。这种WAN卡有四个E1/T1端口。既可以传输PCM编码格式的数据,也可以通过一个控制器处理高级数据链路控制(HDLC)帧,以支持帧中继等数据通讯协议。
通过应用多种芯片,PCI总线可以实现与ATM的连接,并能够在ATM上承载IP。使用ATM-TDM转换器实现与承载基本语音的ATM连接。这可以用PMC卡或用CPCI板实现。
DSP子系统
DSP子系统是语音网关中处理器最集中的部分,包括语音编码器、电话信号音发生器和探测器、第三类传真调制解调器以及回音消除器。DSP子系统的可选方案有:固定功能芯片集/内核、通用可编程CPU处理主机或本地信号以及可编程面向通信的DSP。可编程的DSP是最合适的选择。选择依据包括原料成本、灵活性、开发成本和功耗。
正确选用DSP和板结构是成功设计高密度、低成本的网关的关键。DSP必须能执行定点的特定语音编码器的操作；配备传输TDM数据流的串行接口；配备内部程序和数据存储器；功耗低；并有优化的C编译器和调试工具。
本例中的TMS320C6201(C6x)结构可以在单个时钟周期内进行多达8个运算,包括两个乘法和加法运算(MAC)、数据转移、地址增加/减少和位移。最新产品功耗小于2W,所以带四元C6x DSP的单个CPCI板的功耗小于20W。
在配备四个TMS320C6201 DSP的DSP子系统的结构中,TDM语音信号可以通过T8105时隙互换(TSI)交换器,发送至E1/T1成帧器和DSP串行端口。每个DSP都有专用SDRAM存储器,以保存程序、变量和与信道有关的数据。DSP将语音和传真解调数据编码,并进行压缩分组。i960 I/O处理器(IOP)将信息分组发送至PCI总线。IOP能够处理网络、媒体网关和信令协议。IOP还可以通过HDLC控制器存取TDM信号。HDLC控制器可以从WAN上存取HDLC格式帧。
设计单板时还应考虑后部转换模块(RTM),它将所有电缆和外部接口移至系统后部,提供热切换能力和高可靠性。RTM的作用包括:作为双冗余CPU设计中的中控板或热切换控制器；或者通过增加一个PCI至PCI的桥延长PCI总线。
当然,许多电信应用都需要这种由热切换带来的高可用性。最近发布的规范在硬件方面统一了各个设备提供商的CPCI和H.110总线接口。但在软件方面,不同厂商和应用仍然各自为营。
如图3所示,TDM数据流从TSI交换器输出,又输入DSP串行口。DSP选择适当的TDM时隙(信道)并进行信号音检测以确定呼叫类型。如果是语音呼叫,则对该时隙的语音数据消除回音后进行编码、实时处理、以太/IP/UDP打包,再直接发送给以太网控制器。如果语音信号探测器没有探测到语音信号,则启用静音抑制。对于通过LAN接收到的分组数据,首先进行解包并发送到抖动缓冲器,然后发送到语音解码器。如果启用了静音抑制,就可以生成柔性噪音。语音数据通过DSP串行数据流发送至时隙交换器并经E1/T1接口输出。传真数据通过传真调制解调器传输。
编程处理如此复杂的实时数据流,软件必须精心设计。效率低下的软件设计、编码和优化以及实时双工语音传输中的明显延迟都会使系统无法使用。DSP软件的关键点包括DSP内核、IOP和本地驱动程序以及应用接口。
与通用的计算机不同,DSP处理器不使用普通的操作系统,而是编写小型内核程序支持信号处理模块。以下是语音网关内核的必要特性:1. I/O:预装的高效的TDM缓冲和分组；低延迟的分组语音抖动缓冲器。2. 多信道线程:高效生成多信道线程,方便地处理TDM缓冲、网络数据分组等产生的触发事件。 3. 调试和剖析:是开发复杂嵌入式系统的有用手段。 4. 存储器服务:DSP芯片的内存空间很宝贵,内存分配服务可以优化存储器的使用。5. 内核必须提供编程方法和编程工具,以便快速开发出优化的多算法、多信道通信应用。
运行支持环境负责优化程序的执行以及优化主机和I/O间接口。它包括的重要功能有:为DSP生成优化的多信道电信应用程序的框架；自动的数据位置管理及与数据相关线程的产生；在编译时估计对MIPS、存储器和功率的需求；在运行期间为包括多DSP设计在内的多种系统配置方案提供支持,并为消息在DSP和主机IOP之间的传输提供支持；支持调试和性能确认；方便地定制特定领域的电信应用。
同时,网关的软件开发环境包含多种协议栈API,例如ISDN、H.323、SS7和TCP/IP等协议栈的API(这些协议栈可在实时操作系统RTOS管理下的主机CPU或IOP上运行)。在协议栈层下面,是各种单板资源的API,包括DSP、DSP I/O (如串行端口和中断)、IOP、H.110 TDM总线交换器、HDLC、PMC选件和E1/T1子模块。
现行的规范包括G.711、G.729、G.729A、G.723.1和G.726,支持各种类型设备的互操作性。它们规定了在理想和非理想情况下的服务质量(QoS),包括汇接编码、电话信号音、离散传输和各种背景声音环境。如果确认相连的设备使用相同的编码规范,则可使用专用或定制的编码器。但是,如果要求互操作性,就必须使用多个编码器。
回音消除法
回音消除是语音电话中最具难度的技术之一,由电话的自身结构所致,它将电话话筒中的声音泄漏给近端说话者的听筒。这种泄漏并不严重,因为延迟是不易察觉的。但是,当近端说话者的声音传至远端并反射回来(由远端听筒泄漏到远端话筒),近端则可以听到网络路径延迟产生的回音。
处理分组语音传输的设备的确受到延迟的严重影响。延迟由多方面原因产生,包括编码、语音缓冲、分组交换和传输,以及处理抖动而产生的延迟。因此,适当的回音消除对于保证服务质量非常关键。
在网关中,远端设备消除回音的策略是消除近端回音,反之亦然。远端的高质量回音消除器可以改善近端的服务质量,近端回音消除器改善远端的服务质量。但当两个说话者同时说话时,问题就复杂化了。要用一个双方通话探测器识别何时两者同时说话,此时回音消除器要暂时停止工作。
ITU-T G.165和G.168这两项规范将线回音消除器的特征标准化。G.165试图用客观方法定义回音消除器的特性。
G.165中用静态噪声信号作为测试信号,定义了包括收敛时间和回音返回损失在内的各种特性参数。但是,静态噪声信号与人声非常不同,因为人声不是静态的,而是带有一定的周期性,并有很大的动态范围。G.168在测试中采用了与语音相似的合成信号,试图使回音消除器测试与其在语音数据环境中的应用相似。
基于规范的测试为评价回音消除器的性能提供了客观的方法,但不完整。仍然需要进行主观测试,最好由这方面的专家进行。以下是主观测试回音消除器时需要测试的几项内容:1. 自适应滤波器:这是一个横向滤波器,经调节后可模仿回音路径,并产生被消除的回音的副本。预期的回音路径末端决定了适配滤波器的长度。 2. 双方通话探测器:用于自适应误差信号检测,仅当远端说话者单方通话时有效。近端和远端同时说话的情况称为双方通话,在此期间应由双方通话探测逻辑暂时中断自适应滤波器的工作。3. 残余抑制器:自适应算法通常难以进行充分的回音消除,因此会存在一些残留的回音信号。这些信号可通过使用残余抑制器消除。
延迟和性能
如何减小两方或多方实时通信时的延迟是贯穿网关设计的重要问题。无论任何介质和传输类型,必须遵循一定的规则获取数据、收集足够的采样进行处理并用合适的消息头标识打包及传输。
此外,有必要预先分析E1/T1和DSP、IOP和CPU的比例。首先必须计算DSP的计算负荷,应达到大约每秒40亿个时钟周期。该数字包括20%的开销用于算法转换??假设使用优化的电信专用内核和C6x DSP。如果每个C6x的理论工作频率为250MHz(250 MCPS),系统大约需要16个DSP。设计工程师可使用四块DSP板,每块板带一块由六颗DSP构成的六元PMC模块卡(每个模块卡只插四个DSP),另一个板的PMC插槽上插一个四路E1/T1 PMC模块卡。
H.100/110 TDM交换器的峰值处理能力是4,096时隙。在最多支持384个全双工信道(16个T1)的应用中,只使用了不到20%的交换能力。而且该数字还是在使用交换器最多的情况下算出来的,即所有时隙交换都不在DSP板本地进行(例如,所有数据都来自H.110总线并发送到六元DSP板)。但是,因为四路E1/T1模块就在DSP板上,许多信道可以在该板本地交换,即所有信道通过E1/T1子模块进入,在DSP板处理,再由同一个E1/T1传出。
CPCI总线可用性分析也很关键。大多TDM I/O数据通过H.110总线传输,但在某些应用中,数据可能传至LAN,这时LAN及其相关协议处理在主机上进行。CPCI总线的负荷50%的峰值处理能力用于处理LAN收发数据。
假设语音信道未经压缩,关闭静音抑制(这是最坏情况,因为某些数据会被压缩),我们希望在与分组大小有关的延迟和主CPU的负荷之间获得均衡,选择包含30ms语音的分组大小。将其打包到IP分组内,加上50字节的典型开销,每信道每30ms会产生约300字节的数据分组。假设有192个信道(总负荷的50%),每信道为10Kbps(通常每信道为8Kbps,假设其它开销有2Kbps),CPCI总线上的语音带宽将是1.9Mbps或15.3Mbps。再加上20%的开销,则CPCI总线需要承载2.3Mbps。
理论上,CPCI总线工作在33MHz频率上,有32位宽的数据线,则其吞吐能力是132Mbps。考虑到Windows NT环境的系统开销,并假设无DMA突发传输,更实际的估计是10Mbps。即使在这一速率下,CPCI总线仅使用了23%的资源。
设计工程师必须选择支持CPCI规范(包括热切换)的机箱。背板可以定制,以分割PCI总线,从而增加冗余或减小单点失效。告警功能和智能平台管理接口可以为整个系统的正常运作提供附加的监视和报告。
语音网关还要方便地处理多种网络协议。网关的网络能力是否高效取决于是否具有协议层次映射结构。建议将网关结构设计成能够处理类OSI协议栈。以下是一个大致的建议:较低层(第一、二层)用硬件(HDLC控制器、以太网、E1/T1)和DSP实现,第三层可以放在IOP,而较高层在主CPU上实现。这样减少了层间通信,缩短了延迟。
作者简介:
Yogendra Jain是RadiSys公司DSP设计中心副总裁,他曾经在林肯实验室从事研究,此前则在TI任职。Yogendra获Rice大学MSEE学位。@。
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