基于嵌入式处理器的VoIP双模语音网关设计

目前语音网关的设计解决方案很多，但大都遵循MCU+DSP的处理方案，有些是偏重于经济成本如基于单芯片（SoC）的 PA1688/AR1688解决方案，有些是关注性能如ARM+DSP解决方案，本文将讨论一款基于IP2022解决方案的双模语音网关设计。

VoIP双模网关是一种同时连接VoIP网络和PSTN网络并能在两者之间互相转换的用户端网关设备。双模网关能够使用VoIP网络节省大量通话成本，还能够在VoIP网络不可用(断电或路由不可达)时使用PSTN网络保障电话线路永远畅通，而且使用双模网关无需对PBX交换机做任何改变，用户还能够自由选择或由网关自动选择使用VoIP网络还是PSTN网络，具备很好的实用性和灵活性。

1 VoIP双模网关的工作原理

网关在VoIP网络中主要起协议转换、控制及关守作用，例如呼叫控制和呼叫管理等。双模网关在普通VoIP网关的基础上增加了VoIP和PSTN之间的转换。双模网关系统从功能上可分为双模转换模块、FXS接口电路模块、语音处理模块和软件控制模块，其系统框图如图1所示。各主要模块功能描述如下：

(1)双模转换模块

双模转换模块主要包括FXO接口电路，由CODEC和数据处理阵列DAA(Data Access Arrangement)组成。其中的CODEC和FXS电路中的相同；DAA仿真了一部话机，通过PSTN的环路闭合去除高压直流分量，只让PSTN线上的模拟交流信号通过。

(2)FXS接口电路模块

外部交换站接口FXS（Foreign Exchange Station）：电路直接和模拟话机连接，提供拨号音、馈电、铃流电压，并能够检测话机的摘挂机和环路闭合，完成模拟信号和数字信号之间的相互转换。

外部交换局接口FXO（Foreign Exchange Office）：在传统的PSTN电话连接中，电话中央局端交换机提供馈电和铃流，电话本身完成Tip／Ring电路来请求服务或应答PSTN上的呼叫。

明白了FXS和FXO的原理也就理解了本网关设计的理念，就是将网关模拟成一个交换机。其内部的FXS 电路将模拟电话局端交换的功能，为电话提供电源并进行振铃，同时检测环路电流。而FXO 电路则模拟电话功能，提供环路关闭功能并检测来话振铃。

(3)语音处理模块

网关的语音处理模块负责对PCM数字语音信号进行压缩和解压缩。压缩算法的标准包括G.711、G.723.1和G.729等。不同的算法压缩比不相同，占用的带宽也不同。压缩算法能够用硬件DSP实现，也能够用纯软件实现[1]。

(4)软件控制摸块

软件控制模块实现网关的协议栈处理和路由处理等功能。协议栈负责将压缩后的数据流进行封装，加上IP协议包头，形成可在VoIP网络中传输的IP数据包。现在VoIP的协议栈主要基于H.323和SIP两种标准。协议栈将数据流打成IP数据包后，选择适当路由经过以太网接口发送到VoIP网络中。接收端网关接收到IP数据包后，将数据包解压缩并将解压缩后的PCM数字信号解码，恢复原始语音信号[2]。

2 VOIP双模语音网关硬件设计

VOIP双模网关的硬件原理如图2 所示。

2.1 MCU

本网关设计的核心采用IP2022处理器，它不但要完成各部件的协同工作，还要做大量的计算处理（例如DSP处理后的编码数据打包通过网络传输）还要将网络传来的语音数据解包后经解码处理送到话机。

IP2022是美国UBICOM推出的一颗功能强大的网络通信处理器，采用RISC结构，带有片上Flash程序存储器，具有在线和离线编程调试功能及单字节时钟周期精简指令集，用4阶段并行流水线方式执行指令，有极高的代码效率和指令运行速度，速度可达120 MIPS。其内部已集成了Flash/RAM、模拟比较器、定时器等多种功能部件，可以在通用I/O口上实现USB、SPI等各种接口。与SX系列不同，IP2022能实现物理层接口及多种网络协议[3]，这主要是因为它内含2个全双工串化器/解串器（Ser/Des）和4个线性反馈移位寄存器(LFSR)。IP2022以软件模块（ipModules）形式实现外设通信和控制功能，比传统硬件具有更大的系统设计灵活性。该软件模块加上缓冲器管理技术所编写的代码，其大小只是用Linux实现的20%。IP2022还提供有TCP/IP网络协议栈，并具有一系列完整的端到端连通方案所必需的附加软件。核心SDK软件包便于开发者用IP2022网络处理器设计嵌入式Internet应用。它包含了很多通用连接应用软件，如网络服务器、以太网、文件管理及Flash更新。高度集成的模块及高效设计使ipModules代码小、功能强健、可配置、可扩展。开发者也可按照指导方案利用API库增加自己的程序模块。

2.2 DSP

DSP主要完成音频、视频的编解码工作，因此在选择DSP部分时，既要考虑满足目前的基本需求（如会话功能），又要考虑今后的需要（如视频要求、VOCIE EAMIL功能等）。所以本设计采用了VoicePump公司的VP120产品。该低功耗、高性能DSP-1xx系列混合数字信号处理器专为针对话音处理的低密度语音网关、VoIP 的IAD设备（综合接入设备）而设计[4]。它通过主处理器灵活的接口协议，每个语音通道都可以配置多种语音编码和话音应用，再加上已经固化在DPS 内部ROM上的各种应用软件，可以将传统模拟语音信息和基于包处理的系列主机作无缝连接。

作者：蒋昌茂 刘洪林 来源：电子技术应用