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VoIP雙模網(wǎng)關(guān)的研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2008/11/03

　　近年來隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)和IP技術(shù)的日益發(fā)展，VoIP>(Volee over Internet Protoc01)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。網(wǎng)關(guān)是VoIP網(wǎng)絡(luò)中的重要設(shè)備，按照應(yīng)用領(lǐng)域可分為電信級(jí)網(wǎng)關(guān)和用戶端網(wǎng)關(guān)。用戶端網(wǎng)關(guān)設(shè)備主要應(yīng)用于小區(qū)和企業(yè)，是連接終端電話和IP網(wǎng)絡(luò)的橋梁，主要功能是進(jìn)行語音編解碼、信令處理、VoIP協(xié)議處理和路由協(xié)議處理等。用戶端網(wǎng)關(guān)設(shè)備在VoIP網(wǎng)絡(luò)中的位置如圖1所示�？梢钥闯觯W(wǎng)關(guān)處于用戶電話線路部分的末端、IP網(wǎng)絡(luò)部分的起始端。

　　“雙�！笔侵竀oIP和PSTN兩種模式。雙模網(wǎng)關(guān)是一種同時(shí)連接PSTN網(wǎng)絡(luò)和VoIP網(wǎng)絡(luò)并能在兩者之間自動(dòng)切換的用戶端網(wǎng)關(guān)設(shè)備。雙模網(wǎng)關(guān)可以使用 VoIP網(wǎng)絡(luò)節(jié)省大量通話成本，還可以在VoIP網(wǎng)絡(luò)不可用(斷電或路由不可達(dá))時(shí)使用PSTN網(wǎng)絡(luò)保障電話線路永遠(yuǎn)暢通，而且使用雙模網(wǎng)關(guān)不需要對(duì) PBX交換機(jī)做任何改動(dòng)，用戶還可以自由選擇或由網(wǎng)關(guān)自動(dòng)選擇使用VoIP網(wǎng)絡(luò)還是PSTN網(wǎng)絡(luò)，具有很好的實(shí)用性和靈活性�！　�


1.VoIP雙模網(wǎng)關(guān)的工作原理　　

　　網(wǎng)關(guān)在VoIP網(wǎng)絡(luò)中主要起協(xié)議轉(zhuǎn)換、控制及關(guān)守作用，如呼叫控制和呼叫管理等。雙模網(wǎng)關(guān)在普通VoIP網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)上增加了VoIP與PSTN之間的切換。雙模網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)從功能上可分為雙模切換模塊、FXS接口電路模塊、語音處理模塊和軟件控制模塊，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。


　　外部交換站FXS(Fbreign eXchange Subscdber)接口和外部交換局FXO(Foreign eXchange Office)接口是VoIP網(wǎng)關(guān)中非常重要的兩個(gè)接口。在傳統(tǒng)的PSTN電話連接中，電話中心局端交換機(jī)提供饋電和鈴流，電話本身完成Tip／Ring 電路來請(qǐng)求服務(wù)或者應(yīng)答PSTN上的呼叫。在VoIP電話連接中，F(xiàn)XS電路仿真了電話中心局端交換機(jī)的功能，提供饋電和鈴流并檢測(cè)環(huán)路電流。而FXO電路相當(dāng)于仿真了電話機(jī)的功能，提供環(huán)路閉合和檢測(cè)鈴流�！　�

　　FXS接口電路直接與模擬話機(jī)連接，提供撥號(hào)音、饋電、鈴流電壓，并能夠檢測(cè)話機(jī)的摘掛機(jī)和環(huán)路閉合，完成模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。FXS接口電路包括編解碼器CODEC和用戶線接口電路SLIC(Subscriber Line Interface Circuit)。CODEC包括一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。SLIC電路仿真了PSTN電壓，它必須能夠檢測(cè)電話的摘掛機(jī)并能產(chǎn)生最高達(dá)120V的鈴流電壓�！　�

　　雙模切換模塊主要包括FXO接口電路，它由CODEC和數(shù)據(jù)處理陣列DAA(Data Access Arrangement)組成。其中CODEC與FXS電路中的相同；DAA仿真了一部話機(jī)，通過提供PSTN的環(huán)路閉合來去除高壓直流分量，只讓 PSTN線上的模擬交流信號(hào)通過。網(wǎng)關(guān)中使用FXO接口電路可實(shí)現(xiàn)以下功能：　　

　　(1)斷電時(shí)線路保持暢通：當(dāng)網(wǎng)關(guān)斷電不能連接VoIP網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將線路切換到PSTN線路上。

　　(2)呼叫重定向：當(dāng)VoIP網(wǎng)絡(luò)由于擁塞或者其他原因而不可用時(shí)，能夠?qū)⒕�路切換到PSTN上，而且能記住已撥號(hào)碼并進(jìn)行自動(dòng)重?fù)�。�?br /> 　
　　(3)遠(yuǎn)端VoIP呼叫：VoIP用戶可以在其他地方通過PSTN撥入的方式進(jìn)行VoIP呼叫，F(xiàn)XO接口先把PSTN上的電話撥號(hào)音(模擬信號(hào))接收下來，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送出，相當(dāng)于將撥號(hào)音從一個(gè)FXO擴(kuò)展到多個(gè)本地FXS。　　

　　網(wǎng)關(guān)的語音處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)PCM數(shù)字語音信號(hào)進(jìn)行壓縮與解壓縮。壓縮算法的標(biāo)準(zhǔn)包括G．711、G．723．1和G．729等，不同的算法壓縮比不一樣，占用的帶寬也不同。壓縮算法可以用硬件DSP實(shí)現(xiàn)，也可以用純軟件實(shí)現(xiàn)�！　�

　　軟件控制模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的協(xié)議棧處理和路由處理等功能。協(xié)議棧負(fù)責(zé)將壓縮后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行封裝，加上IP協(xié)議包頭，形成可在VoIP網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。目前VoIP的協(xié)議棧主要基于H．323和SIP兩種標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議棧將數(shù)據(jù)流打成IP數(shù)據(jù)包后，選擇適當(dāng)路由經(jīng)過以太網(wǎng)接口發(fā)送到VoIF網(wǎng)絡(luò)中。接收端網(wǎng)關(guān)接收到IP數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包解壓縮并將解壓縮后的PCM數(shù)字信號(hào)解碼，恢復(fù)原始語音信號(hào)�！　�

2.VoIP雙模網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)　　

　　本節(jié)提出了一種基于H．323的雙模網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案支持4路話音，使用一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的“假FXO接口”方式實(shí)現(xiàn)雙模切換，能夠在VoIP通話時(shí)檢測(cè)到PSTN線上進(jìn)來的呼叫并可通過按話機(jī)的拍簧或者Flash閃斷鍵切換接聽�！　�

　　為了有效利用資源，系統(tǒng)使用三相轉(zhuǎn)接頭將電話線路與PSTN線路組合到一個(gè)RJ11接口上，每路話路使用一個(gè)三相轉(zhuǎn)接頭。三相轉(zhuǎn)接頭的連接方式如圖3所示。


　　三相轉(zhuǎn)接頭的使用可簡(jiǎn)化雙模切換的實(shí)現(xiàn)，也減少了設(shè)備的物理端口數(shù)量�！　�

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用“硬件+ 嵌入式操作系統(tǒng)+應(yīng)用層軟件”的總體架構(gòu)。 　
　
　　2.1 硬件設(shè)計(jì)方案　　

　　系統(tǒng)的硬件部分主要包括雙模切換模塊、FXS接口電路、語音處理模塊電路、CPU模塊和以太網(wǎng)模塊，硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。


　　雙模切換模塊使用了一種“假FXO接口”的方式。電路中用繼電器控制各話路本身的VoIP和PSTN通路之間的雙模切換。繼電器在網(wǎng)關(guān)沒有上電時(shí)默認(rèn)將網(wǎng)關(guān)置于把話機(jī)線與PSTN線對(duì)接的狀態(tài)，上電工作后由1?a target="_blank" class="keyword">FPGA可編程邏輯芯片來控制繼電器的切換。FPGA芯片是網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)智能切換的關(guān)鍵部件，其中實(shí)現(xiàn)的控制邏輯包括PSTN線路上的鈴流檢測(cè)、話機(jī)拍簧動(dòng)作檢測(cè)等邏輯，并據(jù)此控制繼電器進(jìn)行切換。FPGA與CPU的接口可實(shí)現(xiàn)在VoIP網(wǎng)絡(luò)路由不可達(dá)時(shí)切換到PSTN網(wǎng)絡(luò)的邏輯。雙模切換模塊實(shí)現(xiàn)了FXO接口的部分功能，但不是真正的FXO接口，所以稱之為“假FXO接口”。　　

　　FXS接口電路模塊主要由SUC芯片和Codee芯片組成，分別選用Legerity公司的Le79R70芯片和Le58Q021芯片。Le58Q021 是4通道的Codec芯片，可以控制SLIC芯片(Le79R70)的工作狀態(tài)，選擇編碼方案(線性、a律、μ律)，還支持軟件可編程SLIC的輸入阻抗、平衡阻抗和頻率響應(yīng)特性等。系統(tǒng)使用1片Le58Q021和4片Le79R70協(xié)同工作支持4路話音，向話機(jī)提供饋電，產(chǎn)生振鈴信號(hào)、檢測(cè)話機(jī)摘掛機(jī)等，并負(fù)責(zé)完成電話模擬信號(hào)與PCM數(shù)字信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。　　

　　語音處理DSP芯片選用AudioCodes公司的AC483，它能同時(shí)支持4通道語音編解碼器，支持G．729A、G．723．1、G．727、G．726、G．711等壓縮算法標(biāo)準(zhǔn)，可完成實(shí)時(shí)的語音壓縮、DTMF信號(hào)的檢測(cè)、產(chǎn)生和回音消除等工作�！　�

　　系統(tǒng)CPU芯片選用Samsung公司ARM7TDMI系列的S3C4510B，其工作頻率為50NHz，片內(nèi)集成了豐富的通用模塊，含有支持 10M／100M自適應(yīng)的以太網(wǎng)控制器，可以直接通過PHY芯片引出以太網(wǎng)接口。以太網(wǎng)PHY芯片選用Intel公司的LXT972A芯片，它具有 1OM／100M自適應(yīng)收發(fā)功能，支持全雙工操作。此外，系統(tǒng)還使用了2MB Flash、16MB SDRAM和512KB SRAM作為存儲(chǔ)器。　　

　　2.2 軟件設(shè)計(jì)方案　　

　　軟件部分主要由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用層軟件組成，完成協(xié)議棧處理、路由處理和其他控制功能，軟件方案層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　嵌入式操作系統(tǒng)采用μCLinux。μCLinux是一種針對(duì)無內(nèi)存管理單元的處理器定制的嵌入式操作系統(tǒng)，具有豐富的網(wǎng)絡(luò)功能、源代碼公開、內(nèi)棱可剪裁和易于移植等特點(diǎn)。根據(jù)硬件平臺(tái)的特點(diǎn)，還需要開發(fā)適應(yīng)硬件平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)程序，包括Bootloader、串口驅(qū)動(dòng)和以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)。其中Boofloader 是移植uCLinux操作系統(tǒng)的關(guān)鍵，系統(tǒng)上電時(shí)，Bootloader負(fù)責(zé)進(jìn)行硬件初始化、中斷的處理和硬件時(shí)鐘管理等工作，并加載操作系統(tǒng)映象到內(nèi)存。為方便系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)，Bootloader可實(shí)現(xiàn)TFTP網(wǎng)絡(luò)功能。串口和以太網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)程序相對(duì)比較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確收發(fā)即可�！　�

　　應(yīng)用層的軟件主要由H．323協(xié)議棧處理模塊、路由處理模塊和DSP控制模塊組成。H．323協(xié)議棧負(fù)責(zé)呼叫控制和信令、音頻處理和媒體實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ�。系統(tǒng)采用比較成熟的開放源代碼的OpenH323協(xié)議棧作為參考，應(yīng)用層上的功能模塊都是基于該協(xié)議棧開發(fā)的。路由尋址模塊主要負(fù)責(zé)路由尋址和路由管理，確定目的網(wǎng)關(guān)的IP地址，并選擇最佳路由將IP數(shù)據(jù)包經(jīng)過IP網(wǎng)絡(luò)傳送到目的網(wǎng)關(guān)。DSP控制模塊主要是在應(yīng)用程序中根據(jù)通話流程編寫相應(yīng)的控制程序控制 DSP芯片AC483的行為。網(wǎng)管模塊提供了Web網(wǎng)管和CLI命令行界面，很容易對(duì)雙模網(wǎng)關(guān)配置和維護(hù)�！　�

3.應(yīng)用方案　　

　　系統(tǒng)作為用戶端網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可廣泛應(yīng)用于小區(qū)和企業(yè)。對(duì)于用戶數(shù)量比較少的小區(qū)，可以將話機(jī)直接與網(wǎng)關(guān)連接，如圖6所示。對(duì)于用戶量相對(duì)較多的企業(yè)，可以與PBX交換機(jī)連接，如圖7所示。


　　該系統(tǒng)基于H．323協(xié)議棧設(shè)計(jì)。目前該系統(tǒng)基本功能已實(shí)現(xiàn)，能與其他網(wǎng)關(guān)設(shè)備互通，并能與運(yùn)營(yíng)商的Gatekeeper互通。在該設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，可以通過選用處理能力更強(qiáng)的芯片來支持更多話路，可以增加SIP協(xié)議棧以支持雙協(xié)議棧架構(gòu)，還可以實(shí)現(xiàn)真的FXO接口電路以支持遠(yuǎn)端VoIP呼叫，這些都是系統(tǒng)未來可以改進(jìn)的地方。

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