海军工程大学 刘波 吴学智 林海涛 何如龙
作为目前热门的嵌入式技术，开发基于嵌入式技术的VoIP网关有助于进一步拓宽嵌入式技术的应用范围。本文介绍了基于嵌入式ARM处理器的VoIP网关模块的设计思路，并结合核心芯片AC4880XC-C详细介绍了该模块的设计流程、软硬件结构及其工作方式。
VoIP的应用趋势
作为NGN（下一代网络）中的重要组成部分，VoIP是面向未来、可持续发展的语音解决方案，可以为商业和家庭用户提供质优价廉的IP语音服务。随着 NGN网络技术的快速发展，VoIP的通信量也已得到快速增长，并以其低廉的价格优势迅速占有市场。
VoIP语音技术与传统电话的区别
VoIP （又称IP PHONE）是建立在IP技术上的分组化、数字化语音传输技术。其基本原理是：通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按IP等相关协议进行打包，经过IP网络把数据包传输到接收地，再把这些语音数据包串起来,经过解码解压处理后,恢复成原来的语音信号，从而达到由IP网络传送语音的目的。VoIP系统把传统电话的模拟信号转换成计算机可联入因特网传送的IP数据包,同时也将收到的IP数据包转换成声音的模拟电信号。经过VoIP 系统的转换及压缩处理，每个普通电话传输速率约占用8～11kbit/s带宽，因此在与普通电信网同样使用传输速率为64kbit/s的带宽时， VoIP线路数是原来的5～8倍。同时，IP技术允许多个用户共用同一带宽资源，改变了传统电话由单个用户独占一个信道的方式，节省了用户使用单独信道的费用。
VoIP 的基本结构由网关（GW）和网守（GK）两部分构成。网关的主要功能是信令处理、H.323协议处理、语音编解码和路由协议处理等，对外分别提供与 PSTN网连接的中继接口以及与IP网络连接的接口。网守的主要功能是用户认证、地址解析、带宽管理、路由管理、安全管理和区域管理。VoIP的核心与关键设备是VoIP网关。
基于嵌入式技术的VoIP功能实现框图
1、VoIP实现原理框图：（如图1）
2、嵌入式系统中VoIP的工作过程：
① 在单个独立的嵌入式系统内部进行语音通信时，该系统实现功能的过程如下：用户话音脉冲通过SLIC和CODEC电路产生PCM流，载入语音处理器 AC4880XC-C中，通过片内DSP进行语音压缩、成帧（包括地址等用户信息及语音信息），AC4880XC-C再将数据包通过HPI口传送到主系统，完成交换功能后，认定目的地是本系统的另一个用户，将处理过的话音数据包传给AC4880XC-C，AC4880XC-C进行解压缩后，以PCM流返回到CODEC部分，根据目的地址信息驱动目的用户。 ② 在嵌入式系统之间进行语音通信时，过程如下：AC4880XC-C将话音数据包通过HPI口传给本系统后，本系统的交换功能认定目的地是另一个嵌入式系统的一个用户，本系统将数据包重组后，通过I/O端口传给目的系统，由目的系统自动完成解压缩，驱动目的用户的功能。
系统设计实现
硬件设计为以下六块组成
1、SLIC（用户线接口电路）部分
采用AMD公司生产的AM79R70PLCC芯片，通过该芯片产生输入、输出话音脉冲和铃音脉冲。
2、CODEC（编解码）部分
采用AMD公司生产的AM79Q021JC编解码芯片，通过该芯片产生的PCM流送到语音处理芯片处理。 3、语音处理部分
作为本系统中的核心部分，语音处理采用以色列AudioCodes公司生产的专用多通道语音处理芯片AC4880XC-C。它具有以下特点：
⊙ 支持ITU的G.711、G.723.1、G.726、G.729A等分组语音处理标准；
⊙ 支持回波抵制和抵消、静音检测和舒适噪音等提高分组语音处理性能的配套模块；
⊙ 高质量坏帧插补；
⊙ 支持2.4~14.4 kbps的T.38和FRF.11的功能传真业务；
⊙ 支持各种信令，如DTMF等；
⊙ 提供语音、传真、数据或信令等PCM高速接口；
⊙ 可选择 或o 律；
⊙ 输入输出增益控制；
⊙ 提供同步HPI、PCM、时钟、存储器以及I/O和仿真测试接口(如图2)；
⊙ 144pin，TQFP封装，1.8V内核电压，3.3V芯片电压。
4、CPLD部分
AC4880XC-C采用8位并行的主处理器接口HPI接口与主系统进行数据交换。鉴于嵌入式系统中接口逻辑繁杂，选用CPLD实现接口适配功能。主CPU可通过CPLD控制实现CODEC 和SLIC部分的功能。
5、HPI接口部分
本设计中，嵌入式系统CPU与AC4880XC-C通过HPI接口进行数据通信，CPU通过AC4880XC-C片内共享的双口存储器与其片内DSP实现数据交互。
HPI接口包括1根8位数据总线和11根控制总线。主系统CPU通过三个寄存器（HPIC、HPIA和HPID）控制AC4880XC-C及访问片内存储空间。HPIC为控制寄存器，用来选择AC4880XC-C的高低字节顺序。HPIA为地址寄存器，用来寻址片内的2K存储空间。HPID为数据寄存器，用来缓存每次读写的两个字节数据，外部CPU以单个Word或块数据访问HPID。以块数据方式访问时，HPIA寄存器自动累加，可减少外部CPU写 HPIA寄存器的开销。AC4880XC-C的内部寄存器和存储器为16位，外部CPU每次访问AC4880XC-C必须以两个字节为基本单位，信号线 HI/LO用来选择高低字节，信号HRS1、HRS0指示当前访问的是哪个寄存器。
6、语音接口部分
语音接口提供未压缩语音、传真数据的I/O通道。语音接口对外提供四根信号线PCMIN、PCMOUT、PCMCLK、PCMFS构成PCM总线，直接连接外部CODEC芯片的PCM Highway。PCMIN输入从CODEC送来的PCM信号，AC4880XC-C内部的DSP按照相应标准压缩后从HPI口交给主系统CPU 处理。PCMOUT则相反，AC4880XC-C将主系统CPU送来的语音数据按照合适的标准解压缩，然后从PCMOUT口送到外部CODEC， CODEC经过数/模转换后恢复成语音信号再通过用户接口送给用户端。PCMCLK提供2.048MHz的比特同步时钟，而PCMFS提供8kHz的帧同步时钟。PCM主时钟（BCLK）、帧同步时钟（FS）、接收数据（DR）和发送数据（DX）一起构成PCM Highway信号，与AC4880XC-C进行连接。BCLK与FS分别对应AC4880XC-C的PCMCLK和PCMFS，这两个时钟信号都由 AC4880XC-C 产生；DR和DX分别对应AC4880XC-C的PCMOUT和PCMIN。PCM Highway信号时序以及时隙与帧同步信号的关系分别如图3、图4所示。为了CODEC与DSP芯片间正确收发数据，一般选择CODEC芯片在BCLK 的上升沿发送数据DX，下降沿采样数据DR，而在另一端的AC4880XC-C，则在时钟下降沿采样PCMIN，上升沿发送PCMOUT。
软件设计部分
该系统软件主要用于对AC4880XC-C进行控制，实现读写等操作。
1、编写芯片AC4880XC-C的读写函数
图5 软件流程图(略)
主要是基于嵌入式ARM处理器，通过HPI接口实现对AC4880XC-C及相关芯片的读写操作。流程图如图5所示：
2、配置AC4880XC-C内部设置
首先通过处理器对CODEC和CPLD进行配置，并调用AudioCodes 公司提供的初始化内核程序对AC4880XC-C进行复位初始化。复位成功后，写入内核程序，然后写入工作程序，最后再将这些程序通过AC4880XC- C的HPI接口写入到AC4880XC-C，芯片即开始工作。
结语
嵌入式系统作为一种功能强大的软硬件操作开发平台，很适合基于嵌入式ARM处理器的VoIP的开发。AC4880XC-C是一款功能强大语音处理芯片，本方案利用该芯片作为核心芯片，配以其他功能芯片实现了基于嵌入式技术的VoIP网关。该网关已应用于嵌入式综合实验平台，效果十分理想，在IP电话和多媒体通信领域的应用前景非常广泛。
本文摘自《世界电子元器件》
