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基于軟核CPU技術(shù)的IP電話接口設(shè)計

許文建，付慧生，陳洪波，閻靜杰 2009/03/31

　　摘要：提出了一種基于會話初始化協(xié)議的VoIP系統(tǒng)(包括IP電話終端、SIP服務(wù)器和PSTN接入端口)，并對SIF，與PSTN的互聯(lián)進(jìn)行了系統(tǒng)級構(gòu)建。利用Ahera的SOPC軟核CPU技術(shù)和Nios II處理器構(gòu)建了一個IP電話終端。該設(shè)計具有靈活的可擴(kuò)展性，能夠在實現(xiàn)語音通信的基礎(chǔ)上較容易地擴(kuò)展視頻接口、短信平臺等多媒體功能，給產(chǎn)品用戶和運營商提供了一種低成本的多媒體網(wǎng)絡(luò)通信終端設(shè)備，具有廣闊的市場前景。

　　關(guān)鍵詞：VoIP技術(shù)；SOPC；IP電話終端；NiosⅡ；軟核CPU技術(shù)

l.引言

　　VoIP技術(shù)是一種基于IP數(shù)據(jù)網(wǎng)的語音傳輸技術(shù)，它將標(biāo)準(zhǔn)的語音信號轉(zhuǎn)換成壓縮的數(shù)據(jù)報后在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)而非傳統(tǒng)的電話網(wǎng)上進(jìn)行傳輸，是一種實時語音通信技術(shù)。在利用VoIP技術(shù)進(jìn)行通信時，一般先使用語音壓縮算法對語音信號進(jìn)行壓縮編碼處理，再按IP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打包，經(jīng)Internet發(fā)送到接收地；接收端把這些語音數(shù)據(jù)報串起來，經(jīng)解碼解壓縮處理后恢復(fù)成原來的語音信號，從而達(dá)到由IP網(wǎng)絡(luò)傳送語音的目的。其關(guān)鍵技術(shù)包括：信令、媒體編碼、媒體實時傳輸、業(yè)務(wù)質(zhì)量保障和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)取?br />
　　當(dāng)然，VoIP不是非電話網(wǎng)上傳送語音業(yè)務(wù)的惟一方式，實際上，存在另外兩種快速、高效、價格合理的能達(dá)到長途話音傳輸?shù)姆椒ǎ磶欣^語音網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Voice over Frame Relay，VoFR)和ATM語音網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Voice over Asynchronous Transfer Mode，VoATM基于異步傳輸模式的語音網(wǎng)絡(luò)技術(shù))，但目前這兩種技術(shù)的發(fā)展速度較緩，技術(shù)不夠成熟。

2.硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　一個完整的VoIP系統(tǒng)應(yīng)包含IP電話終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)守、網(wǎng)管系統(tǒng)、計費系統(tǒng)等幾部分。本文重點研究可直接掛接在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的IP電話終端。

　　2.1 硬件系統(tǒng)方案

　　通過對國內(nèi)外VoIP技術(shù)的研究，要面向社會推廣價格低廉的IP電話業(yè)務(wù)，普通用戶的電話終端成本，運營商的設(shè)備、管理成本都是必須考慮的因素。因此，設(shè)計出了一個VoIP系統(tǒng)方案，如圖1所示。


　　該設(shè)計方案具有一個功能可擴(kuò)展的基于軟核CPU技術(shù)的IP電話終端；具備基于會話初始化協(xié)議的SIP服務(wù)器，該協(xié)議是專為網(wǎng)絡(luò)會話而生的；并利用語音接口卡實現(xiàn)SIP與PSTN的互聯(lián)。具有技術(shù)先進(jìn)、針對性強(qiáng)和通用性好等特點，是可行有效的。

　　2.2 IP電話終端硬件設(shè)計

　　根據(jù)1P電話終端的硬件需求，為該終端配置了音頻接入口、音頻編解碼芯片WM8731；網(wǎng)絡(luò)接口芯片DM9000A；存儲器IC42S16400；主控制器EP2C35；直流電源9 V，如圖2所示。


　　IP電話終端采用直流9 V供電，通過穩(wěn)壓芯片(輸出+5 V)為電路板供電．終端的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器選用了Wolfson公司的24 b音頻編解碼芯片WM8731，以太網(wǎng)傳輸部分選用了Davicom公司的網(wǎng)絡(luò)接口芯片DM9000A，并為輸入撥號配備了鍵盤(號碼撥盤)，為實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)存儲，還在電路上給終端配置了存儲器(SDRAM，SRAM，F(xiàn)LASH)，用戶可以根據(jù)自己的情況選擇包含所有或其中任一種存儲器的電話機(jī)。本設(shè)計選用了其中的SDRAM作語音數(shù)據(jù)存儲器。

　　2.2.1 撥號電路

　　為實現(xiàn)IP電話與普通電話的通用性，該終端加入鍵盤模塊，按鍵開關(guān)KEY0～KEY9，KEY_X，KEY_Y，KEY_ON，KEY_OFF(其中，除KEY_ON和KEY_OFF是鎖閉式按鍵外，其余均為非鎖閉式按鍵)采用行列掃描式接法，加入了74HC245總線收發(fā)器作為緩沖器，電路如圖3所示(由于按鍵過多，圖中僅給出KEY0～KEY3電路)。


　　每個這種開關(guān)用來控制史密特觸發(fā)電路，史密特觸發(fā)裝置的14個出口直接與CycloneⅡFPGA相連。每個開關(guān)當(dāng)不按下時提供一個高電平(3.3 V)。在按下時提供一個低電平(0V)。非鎖閉式按鍵開關(guān)是反彈的，它們相當(dāng)于電路的時鐘或復(fù)位輸入；鎖閉式按鍵是不可反彈的，按下時相當(dāng)于一個邏輯低電平(0V)，彈出時提供一個邏輯高電平(3.3 V)。

　　2.2.2 音頻輸入及編解碼

　　音頻輸入及編解碼電路是通過Wolfson公司的WM8731編解碼器(編碼器和解碼器)實現(xiàn)的。它可以提供高質(zhì)量的24b/s音頻，由一系列的I2C總線接口控制，這些接口連接到Cyclone II FPGA的引腳上。硬件電路如圖4所示。

3.軟核CPU的構(gòu)建

　　Altera推出的Nios/NiosⅡ系列嵌入式處理器擴(kuò)展了目前世界上最流行的嵌入式軟核處理器的性能，是Altera公司為其FPGA產(chǎn)品配套開發(fā)的軟核CPU。在邏輯功能上，它們是32 b的精簡指令集CPU，用戶可以獲得超過200 DMIPS(Dhrystone Millions of Instructions Per Sec—ond，百萬條指令/秒)的性能，并從三種處理器(e型、s型、f型)以及超過60個的IP核中選擇所需要的。NiosⅡ系統(tǒng)為用戶提供了最基本的多功能性，設(shè)計師可以據(jù)此創(chuàng)建一個最適合他們需求的嵌入式系統(tǒng)。Nios及NiosⅡ處理器通過FPGA編程的方式實現(xiàn)用戶所需，這是與傳統(tǒng)的CPU的一個根本的差別。

　　SOPC系統(tǒng)的平臺包括：Altera的Nios處理器、Aval—on總線，片內(nèi)外存儲器以及外設(shè)模塊等。利用SOPCBuilder，用戶可以很方便地將處理器、存儲器和其他外設(shè)模塊連接起來，形成一個完整的系統(tǒng)。其中，SOPC Build—er中已包含了Nios處理器和其他一些常用的外設(shè)IP模塊。用戶也可以設(shè)計自己的外設(shè)IP。

　　可見，利用SOPC的軟核CPU技術(shù)在以下方面具有很大的技術(shù)優(yōu)勢：提高系統(tǒng)性能；更低的系統(tǒng)成本；應(yīng)對產(chǎn)品的生命周期；功能強(qiáng)大、易用的開發(fā)工具等。

　　SOPC Builder是QuartusⅡ附帶的一個用來開發(fā)基于處理器、外圍以及存儲器的片上可編程系統(tǒng)的開發(fā)工具。SOPC Builder可以根據(jù)用戶的編輯實時地生成．ptf文件；系統(tǒng)PTF文件類似于一個數(shù)據(jù)庫文件，它存儲了系統(tǒng)模塊列表，模塊信息等。

　　在SOPC Builder環(huán)境里，用戶可以直接調(diào)用軟件提供的用于構(gòu)建CPU的基本模塊，也可以自定義模塊。本課題需要的模塊中，網(wǎng)絡(luò)接口與語音處理接口需要自定義，在構(gòu)建前必須有二者的源文件，設(shè)計采用了Verilog HDL書寫源程序，事先寫好了DM9000A．v和Open_I2C．v兩個底層程序。

　　前述SDRAM接口、鍵盤輸入接口、網(wǎng)絡(luò)接口芯片接口、音頻處理接口和I2C接口均連接到Avalon總線，相當(dāng)于總線的外掛設(shè)備。構(gòu)建完成，選擇自動生成地址，其結(jié)果如圖5所示。


　　 構(gòu)建完成后生成(Generate)．bsf格式文件system．bsf，轉(zhuǎn)到QuartusⅡ環(huán)境下可以直接調(diào)用，相當(dāng)于一個自定義的控制器芯片。

4.接口電路的軟件設(shè)計

　　4.1 軟件設(shè)計

　　作為IP網(wǎng)絡(luò)的一個端點，IP電話必須像其他IP終端一樣，為其分配IP地址、子網(wǎng)掩碼、缺省路由器、DNS(Do—main Name System，域名系統(tǒng))等。同時它存在自動和人-工兩種配置方式，自動方式的IP電話必須使能DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，動態(tài)主機(jī)分配協(xié)議)，手動方式由用戶對IP電話配置必要的信息。整個IP終端的軟件設(shè)計包括了主控制器、網(wǎng)絡(luò)接口、音頻輸入／輸出口和可選擇的存儲器等部分的設(shè)計，其軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。


　　首先使用SOPC Builder系統(tǒng)工具構(gòu)建了一個NiosCPU作為整個系統(tǒng)的處理器核，它的Avalon總線對其他接口及控制器進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)傳輸，包括：由內(nèi)部定時器控制的Avalon總線；為Nios CPU配置了JATG通用異步收發(fā)器UART；為可選擇的片外存儲器配備了專用存儲器接口；控制語音輸入輸出的音頻數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)語音編解碼的控制和流處理；以太網(wǎng)接口負(fù)責(zé)CPU與DM9000A的數(shù)據(jù)收發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換。

　　工作過程如下：

　　當(dāng)撥號確認(rèn)后，主控制器對編解碼器發(fā)送控制指令，開始語音A/D轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行編碼，送到片外存儲器內(nèi)進(jìn)行緩存；Nios CPU對撥號信息的解析確定。目的地址，通過Avalon總線對以太網(wǎng)接口發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸指令；將符合以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)從片外存儲器內(nèi)讀出，送入Internet中，返回確認(rèn)信息。系統(tǒng)處理流程圖如圖7所示。


　　4.2 I2C語音模塊

　　由于語音編解碼器的處理延時是影響VoIP話音質(zhì)量的因素之一，為了保證語音編解碼的實時性，軟件系統(tǒng)在控制WM8731編解碼器的編解碼同時，加入了I2C語音模塊，以實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的實時處理。它采用自頂向下設(shè)計方法利用QuartusⅡ進(jìn)行設(shè)計。

　　I2C是一種雙向制串行總線協(xié)議，只有總線處于“非忙”狀態(tài)時，數(shù)據(jù)傳輸才能被初始化。數(shù)據(jù)傳輸期間，只要時鐘線為高電平，數(shù)據(jù)線都必須保持穩(wěn)定，否則數(shù)據(jù)線上的任何變化都被當(dāng)作“啟動”或“停止”信號。它實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。

　　首先在QuartusⅡ環(huán)境內(nèi)創(chuàng)建一個名為I2C的原理圖文件，然后建立包括各個模塊的頂層圖(使用Altera提供的LPM功能模塊或者建立自己的功能模塊)，在頂層圖中將各個功能模塊進(jìn)行連接，如圖8所示。


　　 調(diào)試通過以后必須對其引腳進(jìn)行手動設(shè)置，以便程序的下載，如圖9所示。

　　將Wolfson WM8731音頻編解碼器被配置為控制模式，可以自動產(chǎn)生AD/DA的連續(xù)比特時鐘和左/右聲道時鐘(CLOCK_500．v)。編解碼系統(tǒng)采樣頻率設(shè)定為48 kHz。

　　I2C．v程序流程見圖10。

　　在QuartusⅡ中對本模塊進(jìn)行測試，輸入頻率50 MHz，波形結(jié)果如圖11所示。


　　 AUD_ADCDAT與AUD_DACDAT分別為I2C總線的輸入輸出，由圖11中可見其延遲為9．033 ns，實現(xiàn)了語音數(shù)據(jù)的實時處理。

5.結(jié)語

　　本文研究并設(shè)計了一個基于SIP的IP電話終端，其結(jié)構(gòu)比較完整。同時對系統(tǒng)進(jìn)行了分塊測試和環(huán)境測試，實現(xiàn)了語音數(shù)據(jù)的A/D、D/A實時轉(zhuǎn)換，進(jìn)行了數(shù)據(jù)報的收發(fā)。同時，本文提出的SIP與PSTN的互聯(lián)模型，使用戶(尤其是長途電話用戶)不必?fù)?dān)心SIP IP終端與PSTN用戶的連接，可以在運營商的支持下自由地同其他用戶進(jìn)行通信，而不用擔(dān)心產(chǎn)生高昂的通話費用。

　　Altera公司的軟件開發(fā)工具QuflrtusⅡ和NiosⅡ因其功能強(qiáng)大、可移植性強(qiáng)、可擴(kuò)展性高，作為CPU開發(fā)，給大系統(tǒng)的升級與擴(kuò)展提供了簡便的操作界面與操作方法。

　　從長遠(yuǎn)來看，在VoIP技術(shù)發(fā)展過程中僅實現(xiàn)語音傳輸功能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。但利用Altera公司的軟核CPU技術(shù)，若在本文研究的基礎(chǔ)上添加短信平臺、VGA接口等，則IP電話終端就不僅能實現(xiàn)語音通信，還能實現(xiàn)短消息傳輸、視頻通訊等，或者與一些數(shù)據(jù)平臺服務(wù)商聯(lián)合，為用戶提供數(shù)字點播等服務(wù)，以成為一個功能強(qiáng)大的多媒體通信終端。

現(xiàn)代電子技術(shù)


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