用TNETV3010构建高密度VoP媒体网关信号处理系统

VoP技术为电信运营商提供了新的网络实现方法和新的业务拓展空间。作为新网络的基础设备，高密度媒体网关无论在市场还是技术方面都将受到越来越多的关注。其中，媒体信号处理系统又是重中之重。本文分析了电信级高密度媒体网关信号处理系统的设计方法和要求，重点介绍德州仪器的TNETV3010数字信号处理器在高密度VoP媒体网关中系统设计。

半导体业的发展，特别是信号处理器和网络处理器的发展，为高密度电信级分组语音(Voice Over Packet, VoP)媒体网关处理语音等多媒体信号带来很多便利。由于VoP电话具有投资少，维护费用低，能兼容数据业务等许多优势，因此近年来越来越多的电信运营商开始将注意力投向VoP应用这一领域。在VoP网络中，承载语音的数据网络已不是电路交换网，而是IP网，或ATM，帧中继等分组网络，于是VoP媒体网关应运而生。

以往VoP网关系统的实现大都由工控机、语音处理卡和网络链路卡构成，这种工控机处理能力相当有限，一般只能处理几十个话路，远不能满足组建大型电信级电话网的需要。为了组建大规模的下一代电话网络，设备制造商需要研制电信级VoP高密度媒体网关。它负责PSTN／ISDN的C4或C5的汇接，将其接入到ATM或IP网络，主要实现VoATM或VoIP功能。

图1：高密度媒体网关基本系统架构。

电信级媒体网关一个主要特点就是接入密度大，一般有几十个到几百个E1接入容量，这就要求网关具备非常强的信号处理能力。因此，在大型媒体网关中，信号处理系统是整个系统的瓶颈，这部分的设计优劣直接影响整个系统性能。由于目前绝大多数网关都采用DSP作为语音信号处理引擎，因此，实际上DSP模块的性能就直接决定了网关的性能。

高密度媒体网关系统基本结构

简单来说，电信级媒体网关可以分为两种：接入网关和中继网关。它们将代替5类和4类交换机。接入网关提供了传统接入设备和VoP网络之间的主要通讯，从功能上来讲，类似于5类交换机，它必须支持传统的POTS接入、非数字的PBX接入以及ISDN的BRI和PRI接入。中继网关提供PSTN和VoP核心网之间的一种通讯功能，它主要完成语音信号在不同网络之间传输的转换工作。无论是接入网关还是中继网关，其处理的媒体流除了语音之外，还包括MODEM和FAX信号，这些都是传统电话网络的基本业务。

图1所示高密度媒体网关的主要组成部分：系统控制器、PSTN接口模块、TDM交换模块、媒体信号处理模块和数据网络接口模块。系统控制器负责整个系统的管理、配置和呼叫控制。PSTN接口模块提供与PSTN网络的接口，接入网关常用的接口包括POTS和PBX接口，中继网关常用的接口包括T1/E1、DS3和OC-3。TDM交换模块负责TDM流的分配。语音信号处理模块负责媒体信号的处理和转换工作。数据网络接口模块提供与包交换网络的接口。目前应用最多的是ATM网和IP网，绝大多数网关设备都提供这两种网络接口，常见的包接口有OC-n(OC-3，OC12等)、POS、100BaseT和千兆以太网接口。

图2：TNETV3010芯片结构。

媒体信号处理系统主要包括DSP和汇聚器(Aggregator)，如图1中的虚线部分所示。DSP完成不同网络之间的多种媒体信号转换工作。由于电信级媒体网关容量比较大，每个系统都需要许多DSP，因此汇聚器是必需的。汇聚器主要有以下功能：汇聚来自多个DSP产生的数据包，然后集中传输到下一模块；在相反方向，它把从分组交换网络上传递来的数据包路由到合适的DSP上；有些DSP的接口不标准，引入汇聚器则可以向外界提供一个标准接口，这一点在背板系统中尤其有用；在某些应用中，它还可以提供包过滤、网络管理等功能。汇聚器可以是专用芯片，如以太网交换芯片、通用处理器或小型的网络处理器，也可以是带有汇聚逻辑的ASIC、FPGA或PLD等逻辑器件。汇聚器的选择和设计由模块接口、数据流带宽及包处理等几方面因素决定。

媒体信号处理系统基本要求

1. 必须能够支持传统PSTN网络的所有基本业务

媒体网关的一个重要使命就是使PSTN网平滑过渡到下一代语音网络，这就要求网关的信号处理系统能处理现有PSTN中所有基本的媒体信号，如语音、MODEM和FAX信号，甚至信令信号，如CAS等。PSTN功能的仿真和模拟是媒体网关的基本功能特征。

图 3：TNETV3010 VoP模块系统结构。

2. 必须保证语音等业务质量达到电信级要求

电路交换有的可靠性和低时延保证了传统电话的语音质量，因此用户自然希望新一代网络依然具有高质量的语音。然而分组网络，尤其是IP网络主要是用来传输数据业务，采用的是尽力而为的、无连接的技术，因此没有服务质量保证(QoS)，存在分组丢失、失序到达和时延抖动等情况。

数据业务对此要求不高，但话音属于实时业务，对时序、时延等有严格的要求。因此网关的媒体信号处理必须采取特殊措施以保障一定的业务质量，否则用户难以接受VoP电话。为了达到这一目的，一些特定功能，如多电话音处理、语音活动检测、回声消除等就应运而生，缺少任何环节，都会导致语音质量的下降。此外，MODEM和FAX的兼容性也是考核网关业务性能的重要指标。

图 4：TNETV3010语音通道。

3. 必须达到电信级可靠性要求

任何电信级设备的可靠性要求都很高，即所谓的五个九要求(99.999%)，媒体网关也不例外。作为媒体网关的核心，信号处理系统的可靠性直接决定了整个设备的可靠性。为了提高系统的可靠性，设计者常常采用冗余备份的方法，与信令相关的部分采用1加1备份，对于那些纯媒体流处理的模块采用N加1备份。

4. 具备较强的可扩展性和灵活性

运营商建设下一代语音网络的先决条件是VoP网络能否扩展为大型的语音网。可扩展性是指媒体网关在不损伤语音质量的前提下能否支持非常大的语音流量。为了适应这种密度需求，单一的系统通常必须支持几千路的语音通道。这种高密度需求对设备的供电、散热和体积提出了高要求。作为网关的核心芯片，DSP的平均每通道面积和功耗就显得尤其重要。

图 5：TNETV3010 FoP传真通道。

另外，大容量的媒体网关信号处理系统往往都十分复杂，开发设计周期比较长，投资大，所以设备制造商在设计系统时通常都要考虑通用平台设计，即在同一个平台中尽可能支持多种业务，这里所指的平台包括硬件和软件平台。举例来说,用于有线网络的信号处理系统可以通过适当的软件升级,支持无线业务。DSP的性能和存储空间的大小决定了其应用灵活性的程度。

基于TNETV3010的信号处理系统设计

随着VoP业务的兴起，无论是业务运营商、设备制造商还是芯片供应商都看到了其孕育的巨大商机。现在许多DSP厂商都推出了专门用于高密度VoP的数字信号处理器。

德州仪器(TI)在2003年正式推出了基于TNETV3010的高密度VoP解决方案。 单片TNETV3010集成了六个C55x核(如图2所示),不同DSP核之间通过内部独特的交换平台进行数据通讯，所以这是一种扁平化结构，使编程大为简化，而且可以继承以前单核C55x成熟的应用程序，可大幅缩短开发时间。每个核都有自己独立的内存块，在程序空间方面，针对VoP应用，扩大了片内存储空间，因此无需外置存储器。

图 6：TNETV3010信令通道。

依靠C55x 核强有力的并行特性，TNETV3010的处理能力非常强大,单片能支持192路电信级的PCM语音通道，或96路低比特率通道，全负载运行时的功耗小于1瓦，平均每PCM通道功耗小于5毫瓦。此外，TNETV3010的封装面积很小，仅为16mm x 16mm。因此，TNETV3010非常适于高密度网关应用。

TNETV3010 VoP模块系统结构

图3给出了基于TNETV3010的媒体信号处理系统结构。其中，TNETV3010负责语音等信号处理，UL2-(r)MII FPGA负责数据包格式的转换和路由。对使用者而言，控制流和数据流是分离的。HOST可以很方便地通过以太网接口和信号处理模块进行通讯。HOST与DSP之间无直接接口，两者之间所有的通讯都通过UL2-MII FPGA，这在很大程度上简化了设计。FPGA的所有设计代码都由TI提供。

除了UL2-(r)MII FPGA作为汇聚器外，TI与Wintegra公司还共同推出一种为高密度VoP设备而设计的新型集成参考架构。该参考架构将WinPath网络处理器集成到基于TNETV3010的高密度网关解决方案中，从而提供了一种灵活、可扩展的解决方案。TNETV3010支持参考架构中的语音处理功能，包括符合G.168-2000标准带128ms波尾的回波消除、语音检测与生成、音频转码及完整的VoP分组/单元封装。WinPath从TNETV3010获得了完整的分组/单元，并提供了单元、分组及AAL2 CID(ATM自适应第二层配置安装及分布)交换、L2-L7分类、AAL2 CPS(每秒字符)打包及拆包、协议互操作以及流量管理。

TNETV3010媒体信号处理过程

TNETV3010在硬件上采用先进的C55x多核结构，在软件设计方面采用了业界领先的成熟的Telogy VoP软件，两者结合在一起使TNETV3010成为一个真正的电信级高密度VoP解决方案。从业务功能来分，整个TNETV3010的媒体信号处理过程可分为，语音处理、传真/MODEM处理和信令处理。

图4所示TNETV3010语音处理过程，它涵盖了全部语音处理的基本模块。一个VoP通道由两部分组成：TDM语音处理部分和分组语音处理部分，连接这两者的是会议桥模块。这是一种高度模块化设计，可以很方便地进行TDM侧之间、分组网络侧之间和TDM与分组网络之间的语音通讯。重要的模块包括回声消除模块、会议桥和编解码模块等。

图7: HOST软件结构。

图5所示TNETV3010传真处理过程，它主要由T.30和T.38两个模块组成。T.30主要完成本地传真机的端接，而T.38主要完成传真在分组网络中的传输。经过十年的锤炼，Telogy的FoP通道能和绝大部分传真机真正做到互连互通。

图6所示TNETV3010的信令处理过程。这个信令通道能完成全部的CAS 信令处理和部分的CCS信令处理。值得注意的是，许多其他DSP不具备同时处理语音和信令的功能，这就限制了其应用场合。而TNETV3010的这一特性能使其灵活地应用于接入和中继网关。

HOST 软件设计

整个TNETV3010媒体信号处理软件系统,除了DSP侧的软件外,还包括HOST侧的整套控制模块。图7是高密度网关中媒体处理板的HOST CPU典型的软件结构图。其中，TI提供了所有与媒体处理相关的模块和接口，包括媒体处理资源管理模块、DSP处理控制模块、数据路径配置模块、底层通讯模块和整套与应用程序相连的API。这些软件模块不是参考程序，而是真正的交钥匙(Turn-Key)软件，TI保证其所有代码的正确性和有效性。系统集成者无须开发额外的代码，所需写的仅仅是应用适配层。因此，TNETV3010方案软件集成非常简单。

下面简单介绍各个模块的功能：

1. 媒体处理资源管理模块。负责所有媒体处理资源的分配和管理，如DSP及其的通道分配，DSP实时资源监控，DSP的IMAGE管理等。

2. DSP控制模块。负责对具体的语音，传真/MODEM和信令处理通道的全部操作，如创建和关闭通道，通道的参数配置，通道上报事件的处理等。

3. 数据路径配置模块。负责媒体数据包的传输路径管理及配置，如路径的建立和关闭，内部路由表的配置，包头的设置等。

4. 底层通讯模块。提供了上层消息流与底层硬件驱动之间的接口。

作者：周刚

德州仪器半导体技术(上海)有限公司