回音消除是一项较难实现的电话功能。传统VoIP网关用DSP负责回音消除、压缩及编解码等功能,因此在分配处理能力时需要进行折衷,难以获得最佳的语音质量。本文介绍一种协处理解决方案,它通过将回音消除等成熟功能转移给专用器件完成,从而提高设计灵活性和语音质量,并降低产品成本和功耗。
在数据分组网络上进行语音通信具有现实的商业意义,它可以降低成本,减少网络资源占用,从而让运营商发掘新业务以提高营业收入。但是语音业务必须满足语音质量要求,在具体实施上有很多困难,消费者希望分组网络也能提供像传统电路交换网络一样的运营商级语音质量。
电路交换TDM流是在网关中转换成语音数据包的,所以网关是影响语音质量的一个重要网络设备。目前的分组语音(VoP)网关完全依赖数字信号处理器来完成数据包的处理、压缩、语音编/解码、音质检测及回音消除等基本电话功能,通用DSP尽管可以完成这些功能,但代价高昂,它的扩展性很差,同时信道密度低且生产成本高。
能否找到一种更好的网关解决方案呢？答案是肯定的。一种新型方案使用专用协处理器解决现有问题,它改进了DSP的基础架构,同时不影响今后的需求。将回音消除等成熟的电话功能从DSP转移到专用半导体器件中完成后,可以使运营商降低VoP网关每信道成本,提高语音质量并减少总功率和对空间的要求,最终增加信道密度并降低功耗及成本。
回音消除方法
在所有主要电话功能中,回音消除可能是最难实现的。设计者希望通过强大的回音消除功能解决语音不清、双声、通话不全及背景噪声变化等问题。早期的回音消除器保证语音质量主要针对电路交换网络长途通话延时问题而设计,但现在的回音消除器算法必须满足新的语音质量要求,实现在嘈杂环境中的通话和无线通话,这些都需要更为严格的数字分组网络。由于分组语音本身有延迟,所以现在的回音消除器要用在分组网络所有语音信道。实际上在当今VoP解决方案中,回音消除是最主要的成本支出项目。
回音消除器依赖精密而强大的算法工作,只有使用正确的软件才能获得最佳性能,DSP架构设计和指令类型将极大影响信道密度和每信道功耗。
G.168建议描述了回音消除的必要性,却没有对包括减少自适应噪声在内的语音质量要求做出完整的说明,这使得回音消除更为复杂。同时,G.168标准并未对收费语音质量做出规定,因此厂商纷纷推出各自的解决方案。
现有的回音消除器与封包/聚合和压缩引擎一起集成在通用DSP中,因此我们无法对通用DSP架构进行优化,提供回音消除所需的处理功能。如果专门针对回音消除来优化通用DSP,其它处理功能(如编解码)和器件成本便会受到影响。更糟糕的是,回音消除软件还必须与器件中运行的其它算法共同工作。经过专门优化后,通用DSP很难再进行其它修改或改进以满足客户的特殊要求。这种情况下,协处理便是一种极佳的解决方案,如果将回音消除转移到专门的协处理器上进行,设计者便可对算法、功耗和器件尺寸进行优化。
为什么要使用协处理
在典型的VoP网关中,回音消除、压缩功能及其它数据分组共享DSP软件和硬件资源。将有大量指令的回音消除交给优化的专门协处理器处理后,设计者可更为灵活高效地配置整个网关方案,例如将功能架构分开后可按照系统要求来增加或减小芯片尺寸,设计人员还可以挑选使用最好的元件和算法,充分发挥每个元件的性能,以实现最佳的语音质量、功率、密度及成本。在不增加DSP的情况下处理额外的信道,实现更多低速率编解码及传真中继。
不过,将协处理器集成到VoP网关最吸引人的一点是通过合理配置协处理器,可实现极佳的语音质量、信道密度和功耗。
下面我们来说明一下原因。目前受功率限制,信道密度无法提高,因此难于执行回音消除、编解码及语音质量增强(VQE)等功能所需的指令密集型算法。功率主要受到散热、气流和原材料成本等各方面因素的影响。通常系统功耗都会随着芯片技术的换代而降低,然而当生产工艺从目前的0.13微米向下一代90纳米技术转变时,降低的功耗却十分有限。因此,我们必须改变网关的基本架构来减少功耗,协处理便应运而生。
协处理器解决方案也最大限度地利用了现有的DSP和各种标准。例如,现有标准针对传统DSP架构使用低速率编解码进行了优化,因此在这些DSP上保持编解码处理无论从设计角度还是经济角度来考虑都有意义。然而,回音消除和语音质量增强算法是基于频域的,适合用矢量DSP引擎来优化。从内存使用上来看,编解码速率低,对每信道的内存密度要求也较低,另一方面,回音消除和语音质量增强需要短时间高密度存储。为了平衡这些差异,我们必须用不同的器件来完成这些功能。
原有VoP网关架构
在目前高密度运营商级语音网关中,以DSP为中心的架构将TDM语音流转换成ATM或IP传输所需的数据包,通常采用时隙交换(TSI)将TDM信道直接提供给DSP器件并与之匹配。在这种架构下,每个DSP负责少量语音信道的所有处理要求(图1)。
用原有以DSP为中心的网关架构,运营商需要四个先进的DSP才能实现672通道DS-3线路,并要将DSP处理能力分配用于回音消除和压缩功能。例如当回音尾长增加时,要给回音消除分配更多的处理能力,此外还需要额外的处理能力进行音质控制和噪声削减,以符合标准要求。尽管G.729 A/B对压缩进行了可靠的定义,但G.168并未对所有的回音消除问题进行说明,因此每家厂商的算法都有所不同,功耗也不一样。
协处理器优化架构
开发商希望寻找具有成本效益的方法来改进功耗和信道密度,于是他们开始重新考虑处理器的架构。
通用处理引擎并不能突破技术局限,它们只是对原有资源简单地进行重新分配。例如,有的引擎牺牲信道密度来增强通用处理功能,有的则牺牲处理功能来提高信道密度。
采用协处理方法后,设计者可提高信道密度和处理能力并同时降低功耗(图2)。
与传统解决方案相比,专用回音消除协处理器只需使用3个DSP便可负责672个信道,并将功耗减少三分之一,芯片面积减小一半。由于回音消除在DSP外部进行处理,设计人员可选择适合设计的最佳算法,包括长回音尾长、噪音削减、音质控制及其它,算法易于修改、升级和实施,并可在需要的时候配置信令、音量检测、音频会议和缓存重放等功能。
在优化架构下,DSP提供G.711、G.723.1和G.729A/B编解码和Group 3传真中继所需的功能,从而使运营商保护了在DSP和VP软件上的投资,而只将回音消除等成熟功能移交给协处理器。
将回音消除移交给协处理器还有另一个好处。专用的协处理器提供了一个增值平台,可大幅提高语音质量,在设计和成本上却与原有架构基本相同。由于回音消除参数较为复杂,要实现运营商级语音质量十分困难而且昂贵,采用高质量专用回音消除器后,通信设计人员可提供成本更低、性能更强的产品。
软件问题
采用协处理器架构必须修改系统控制软件,不过改动十分有限且易于实现(表1)。
协处理器架构在软件上几乎没有多大变动,只影响少数功能控制软件,即管理回音消除功能的部分。这些常规功能包括回音消除规定及控制、调制解调器检测和回音消除状态/统计查询。为了转用协处理器架构,这些功能必须从DSP接口/API转变为协处理器接口/API。不过这点很容易实现,因为回音消除参数通常与其它DSP功能无关,软件工程师只需简单地提取这些参数并转移到新的协处理器API上即可。
为了更简便地实施协处理器方案,一些设计者加入了一个抽象层,使网关的通用控制软件在使用专用回音消除API时免受影响。如此一来,只需修改抽象层的通用功能便可实现协处理器架构。
新的协处理器策略还影响到DSP软件包。实际上,通过将回音消除等指令密集型功能转移出DSP,协处理对DSP嵌入式软件包的需求也相应减少。通过这一转变,我们可将DSP更多地用于实现压缩/解压缩等其它功能,并可支持额外的TDM时隙。不过,DSP软件包必须经过修改处理能力方能增强,工程师必须注意这一点。
本文总结
以每信道来说,采用协处理回音消除方案可节省一半的DSP芯片面积和功耗。由于协处理架构只转移了成熟的专有功能,因此对今后设计也有意义。协处理极大地提高了设计和实施灵活性,最重要的是,协处理可减少VoP成本,同时提供运营商级的语音质量,从而吸引消费者。
作者:Doug Morrissey
副总裁兼技术总监
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软件开发经理
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