1 引言
IP網絡電話系統是指在因特網中進行分組語音通信的系統，即VoIP技術。隨著高速骨干網的建設和寬帶接入技術的發展，以及IP電話技術以及電視技術的發展，使數據、語音、視頻等綜合業務的融合變成可能，不久的將來家庭用戶完全可以通過因特網不僅實現上網業務，還可以實現使用IP電話機進行通信和通過IPTV收看電視節目，這一前景非常樂觀。

我們通常所說的IP網絡電話系統由終端、中繼網關、網守或服務器、多點控制單元等組成，其中終端既可以是普通計算機、FXS網關、 電話機。IP網絡電話使用H.323協議、SIP協議或MGCP協議進行呼叫連接，對語音進行數字化和壓縮處理，并分組打包在因特網上傳送，從而實現語音通信。

2 IP電話機的發展及關鍵技術
IP電話機通過信令在網守或服務器上注冊登記后并可發起呼叫；網守或服務器接納后，告訴對方IP電話機的地址，建立通信連接，進行IP電話機與IP電話機之間的通話。若需要與普通電話機通話，則網守或服務器先接通至網關，由網關將信令轉換成公共交換網信令，呼通普通電話機；再由網關實現壓縮語音數據與PCM語音數據的互相轉換，經由電話交換機與普通電話機通話，即IP電話機與普通電話機之間的通話。普通電話機也可以撥到本地IP網關，經由IP網絡，到對方網關，再呼通對方普通電話機，實現普通電話機經由IP網絡到普通電話機的通話過程。為實現IP網絡電話的商業級應用，需要解決下面3個關鍵技術：

2.1 語音壓縮處理技術
為了在IP網絡中實現語音通信，必須進行語音的數字化和壓縮處理，以降低比特率，實現分組傳輸，一般采用5～16kbps。在商業應用中需要有較高的語音質量保證，既要有可懂度，又要有自然度，一般要求MOS ≥3.5。顯然，低比特率與高話音質量是一對矛盾，降低比特率勢必影響語音質量，并且會增加運算量和復雜度，增加處理時間，加大通話時延。為此，只能在比特率、通話質量、運算復雜度和通話時延等因素的綜合考慮下，確定一種有效的語音編碼和壓縮技術。目前，ITU-T規定了幾種語音編碼和壓縮技術，如G.711、G.722、G.728、G.729、G.723.1等?，F代的語音壓縮編碼常采用混合編碼技術，即碼本激勵線性預測技術(CEI )，也即線性預測和分析合成法。

2.2 網絡管理技術
IP電話網絡的管理包括安全管理、計費管理、故障管理等。網絡安全是十分重要的，安全管理有幾方面的內容：鑒權、驗證、加密等，以防止網絡受到惡意攻擊以及用戶信息被泄露。計費管理的主要目的是正確地計算和收取用戶使用網絡的費用，同時統計出網絡的資源利用率和運行成本效益。故障管理就是不斷監視網絡設備的運行情況，發現故障及時修復。

2.3 QoS保證技術
對于語音通信，要求網絡必須能支持具有一定QoS的端到端承載業務，然而，IP網絡是一個無連接的網絡，它只能盡力傳送，不能提供QoS保證。為了保證語音傳送的質量通常采用的方法有采取分組丟失補償、減小處理時延、回波抵消、動態帶寬分配等技術。

3 IP網絡電話機的硬件設計方案

3.1 硬件原理
IP電話機需要處理復雜的語音編碼算法和網絡通信協議，必須有處理能力很強的處理器的支持。對于語音壓縮編碼算法需要數字信號處理器(DSP)，SIP協議棧的處理同樣需要高性能的處理器，一般稱為MCU。為了構成一個IP電話機系統，還需要以太網接口控制器、AD／DA變換器、存儲器、LCD顯示器、鍵盤等其它元器件。將這些元器件有機地結合起來形成一個完整的IP電話機解決方案，有多種方案可供選擇。選擇何種方案和元器件需要考慮多方面的因素。IP電話機是作為終端設備提供給廣大用戶，為了能夠在傳統的電信市場打開一片天地，占領一定的市場份額，除了IP電話的壓縮帶寬、共享網絡的優勢外，需要提供通話質量，擴大增值業務，降低IP電話機的成本，提供優質服務和高性價比的產品，使系統運營商有利潤，用戶能滿意。這需要設計出性價比高、兼容性好、多功能的IP電話機。為此，我們提出一種以PalmMicro communication公司的AR1688處理器芯片為核心，FLASH、USB、LCD和以太網控制器等芯片組成符合SIP協議標準的解決方案，其基本原理如圖1所示。

本話機在外形上與普通的電話機基本一致，不僅具有鍵盤、手柄、夜晶顯示器，還具有USB、串行數據接口和以太網接口 45。在功能上具有來電顯示、電話號碼薄、快速撥號、語音留言、自動應答、動態地址分配(DHCP)、收發短信和電子郵件等。系統升級可以通過以太網接口進行升級和配置；既可以通過專用程序，也可以通過Telnet和web頁面進行修改，用戶界面非常友好。

3.2 芯片結構
PalmMicro的AR1688是專門解決IP電話機等應用而設計的，它將兩個處理器、音頻CODEC以及SRAM集成到一個芯片里，其中MCU使用的是8位8052兼容處理器，速度達到48MHz，DSP采用了Analog Device公司的ADSP2181兼容處理器，處理能力達66MIPS，將DSP作為MCU的協處理器，在內部解決了兩個處理器的協調問題。片內的512KB SRAM 存儲器和各種接口電路，簡化了系統設計，提高了穩定性，SRAM 既作為外部數據區，也可以作為省電模式和軟件升級時的程序運行存儲區。片內的高性能的音頻CODEC，輸出RJ11接口，只需要直接接到耳機和麥克上就可以了；具有DMA接口、USB接口、RS232接口、存儲器接口等。

3.3 外圍電路
在外圍電路中FLASH采用MT28F016，由于AR1688是ISA總線接口，需要的以太網控制器采用臺灣Reltek公司的RTL8019AS，LCD采用128×64點陣夜晶顯示器。

2MB的FLASH用于存放程序代碼和常數，我們知道8052只有16根地址線，最大只能訪問64KB的空間。由于DSP的代碼作為MCU的常數，在程序運行后裝入AR1688片內的SRAM，DSP才能運行，另外還有漢字庫等，因此對于IP電話機的應用來說64KB的空間是遠遠不夠的，必須對地址空間進行擴展，如圖2所示。這里用2片373作地址鎖存器，將16根地址線擴展成24根，這樣就可以尋址16MB空間。MCU核只能訪問64KB，需要將16MB按64KB分頁，必要時進行頁切換，從而擴大訪問空間。將2MB大小FLASH分為32頁，每頁64K大小，各頁的具體使用請參見表1。

4 IP網絡電話機的軟件設計方案
無論硬件設計采用何種方案，軟件系統主要針對所采用的協議體系的不同而不同。IP電話支持三個協議體系(H.323、SIP、MGCP)以前大部分廠家都支持H.323，由于結構復雜，互通性能較差，為了便于互通以及簡化開發維護，我們選擇了SIP協議體系。無論選擇何種協議體系，軟件系統主要完成DSP的語音壓縮、編碼解碼處理、MCU對協議棧的處理和其它一些功能實現。

基于SIP協議的IP電話機的軟件系統結構如圖3所示，它建立在SIP協議棧的基礎上，增加了數據處理和用戶接口處理的功能。DSP語音的壓縮、編碼解碼處理和MCU對SIP協議棧的處理是軟件系統的核心。MCU作為主處理器主處理器，完成除語音壓縮編碼處理以外的所有工作，它對鍵盤進行掃描，接收用戶的輸入，完成相應的功能，并將各種狀態和結果送LCD顯示；它通過AR1688內部的CODEC將語音數據交給DSP進行壓縮編碼，取回編碼按協議進行數據打包，并送到以太網接口。同時偵聽以太網口，看是否有數據包到達，根據協議分發數據，如是語音編碼數據，則交給DSP進行語音還原，取回語音數據包通過CODEC接口輸出；協議處理包括：SIP、SAP、RTP／RTCP、ICMP、DHCP、TCP／IP和UDP／IP等；應用層要通過Telnet、Http等完成系統的升級和配置工作，以及電子郵件收發工作。軟件系統要完成的工作量非常大，對語音通信要求的實時性很高，這相當于一個實時操作系統。為便于升級和擴展采用模塊化設計，軟件流程如圖4所示，主要從幾個功能模塊的實現來說明軟件過程。

4.1 語音壓縮編碼解碼處理
該模塊要完成G.723.1(5.3kbps／6.3 kbps)、G.729(8kbps)、G.711(64kbps)的標準算法，回聲抵消，語音激活檢測(VAD)，舒適噪聲生成(CNG)等工作。用定點DSP去實現，要解決算法精度和控制DMA進行快速數據交換等問題。

4.2 協議處理
根據SIP協議規定的IP電話的通話聯絡過程的要求，對各種協議數據進行打包處理，送交以太網接口發送，并對從以太網借口接收的數據包，分析其協議種類。該模塊負責處理SIP服務器對IP電話機對的登記、許可和狀態協議，完成IP電話機的登陸SIP服務器、端點登記、呼叫建立和終止、狀態和資源查詢等任務；源IP電話機通過SIP服務器處理發起的呼叫請求，SIP服務器搜查網絡中符合的目的IP電話機，搜尋到后轉發源IP電話機的呼叫請求，同時交換協商終端問的通信能力，建立起通話鏈路，進行語音交互通信。語音數據在交給UDP封裝前，先由實時傳輸協議RTP封裝，加入分組序列號和定時信息等。

4.3 系統配置
就是設置和修改電話機的各種參數，如本機的IP地址和電話號碼、子網掩碼、路由器IP地址、DNS服務器IP地址、SIP服務器IP地址、自動應答和DHCP、自動應答的振鈴次數、是否需要代理服務器支持等。內部有四種方式可以接收和設置這些參數：
一是直接從電話機的按鍵輸入；
二是在其它的計算機上用專門的程序通過網絡接口或USB、串行口進行配置；三是通過Telnet程序進行配置，此時電話機是Telnet服務器；四是通過web頁面，用Http進行配置，此時電話機是簡單的www 服務器。

4.4 郵件處理
POP3郵件下載，根據預設的POP3服務器的域名或IP地址，用DNS解析得到IP地址，向POP3服務器建立TCP連接；輸入用戶名和口令，進入用戶信箱，用STATE或者lAST命令查看其郵件狀態和總數，逐條將其下載到AR1688片內的SRAM 中，并保存在SRAM 的自由數據區里，而后可以在LCD上逐條翻看。

5 結語
根據此方案設計的IP電話機，使用Interaction SIP Proxy免費軟件做SIP Server，分配兩個帳號給兩部臺IP電話機，當IP電話機通電開機后約5秒鐘成功注冊到該SIP Server上。主要測試設備的呼叫建立能力、呼叫長時保持能力以及通話語音質量測試。測得該設備1小時最多能建立起400次呼叫；當建立起一次呼叫后，測試24小時后呼叫仍然保持；根據ITU 的P.800標準，采用MOS值來判斷該設備的語音質量，請100位被試聽同一語音樣本，根據各自的感受對該設備的語音質量進行打分，最后該設備的MOS值4.5，有很好的語音通話質量?？梢?，該設備可直接接人Internet進行商業應用。隨著網絡的寬帶化和因特網向家庭用戶的普及，在以軟交換技術為核心的下一代網絡(NGN)，電話通信將向IP電話轉移，IP電話機的市場前景非常廣闊。