1 問題的提出

IP電話是指利用IP協議通過分組交換網進行語音通信的通信方式。目前IP電話作為因特網的一個應用得到了迅速發展，特別是語音IP技術與其他互聯網應用技術的結合，可方便地實現許多智能業務，如基于web的呼叫中心。這些先進的業務應用正刺激著傳統的電話通信向真正的基于IP網絡的電話通信轉移。

日前IP電話的接入方式是使用普通電話撥入1TSP(Intemet Telephony Service Provide)提供的IP電話網關，然后經過一系列認證．再進行呼叫、接通和通話。造成這種情況的原因是因為13前的網絡環境尚不完善。如帶寬不足、網絡接口尚不能直達用戶等。但隨著因特網的不斷擴展和新技術的出現。這種IP電話的接人方式正被逐漸淘汰，用戶將直接通過IP電話機撥打電話稱為一種趨勢。本系統的設計目的便是設計一款實用的IP網絡電話機。

2 總體方案

IP網絡電話機主要完成通過Intemet實現語音的傳輸，需要實現對語音信號的采集、語音信號的壓縮，這些任務需要大量的數據運算，為滿足語音通話的質量以及實時性，需要DSP進行數據的壓縮處理。系統鍵盤、顯示器的擴展，SIP、TCP／IP等協議的實現主要由ARM子系統來完成，各種邏輯關系通過ALTERA公司的CPLD EPM7032實現，其結構框圖如圖1所示。

3 DSP子系統的設計
DSP子系統主要完成語音信號的采集和壓縮工作，TMS320C5416是1rI公司推出的16位定點DSP單指令周期為6．25，每秒執行的指令數為160 x1O ，指令系統豐富并具有很多多功能指令，使用了6級指令流水線結構，這些都很適合實現G．729數據壓縮算法。另外其還具有3個MSBSP通道，可以很方便地實現CODEC語音芯片的擴展。

3．1 語音信號的采集

本系統選用MC10，其采樣速率可達到22 ks／s，采用片外FIR濾波器時，其采樣速率最高可達88 ks／s，本系統中MC10采樣速率為8 kHz，DSP在接受到8o個字的語音信號后將進行壓縮處理，然后將處理數據送往ARM。TMS320C5416與AIC10通過MCBSP0連接。MC10工作在主模式下，這樣可以通過選擇合適構晶振，使采樣速率為整數，便于以后數據的壓縮，本系統晶振為8．192 MHz。設置M／S引腳為高電平，將AIC10設置為主模式，采樣頻率信號由MC10提供。與DSP的通信數據采用“15+1”BIT模式，在DSP上電后，首先請求次通信(Do位為0)來完成對MC10內部寄存器的初始化。16位數據的格式為：D15～D13：器件地址；D12：讀、寫；D11～D9：寄存器地址；D8：無效位；D7～DO：數據位。

3．2 G．729A壓縮算法的實現

G．729A編碼器是以碼本激勵線性預測模型(CS—ACELP)為基礎的 J。編碼器處理的信號是以8 kHz采樣的帶限信號，其輸入為16位線性PCM碼。CS—ACELP算法將語音信號每10 ms分成一幀進行處理，由于另需要5 ms的信號進行前向線性預測編碼(LPC)，因此算法延遲總共為15 ms。編碼器原理如圖2所示。從圖中可以看到，其基本原理與CELP算法是一致的。當然，為了提高合成語音質量，需要采取一些措施，具體的算法要復雜一些。它的編碼過程如下:

(1)預處理：編碼之前要對輸人的16 bit PCM信號進行預處理，包括信號幅度壓縮和帶通濾波兩個過程。信號幅度壓縮就是把輸人信號除以因子2，以降低定點實現時發生溢出的可能性。帶通濾波則用來濾除不需要的低頻成分，用一個截止頻率為140 Hz的二階零極點濾波器來實現，其傳遞函數可表示為式(1)

(2)線性預測分析及量化：短時分析和合成濾波器是基于一個10階的線性預測(LP)濾波器．LP合成濾波器定義為

LPC模型階數P選為1O階，可以對絕大多數語音信號的聲道模型取得足夠近似的逼近，如果JP值選的過大雖然可以微略改善逼近效果，但是也帶來一些副作用。一方面是加大了計算量，另一方面有可能會增加一些不必要的細節，例如在用聲道模型譜進行共振峰分析時反而使效果變壞。

解碼器是編碼器的逆過程。首先要從接收到的碼流中提取LSP系數和兩個分數基音延時、兩個固定碼本矢量以及兩套自適應碼本和固定碼本增益等參數。然后，對LSP參數進行插值，并轉換到線性預測濾波器系數的形式。接下來，將自適應碼本和固定碼本矢量分別乘以各自的增益再相加，得到激勵信號。激勵信號通過LPC綜合濾波器后，形成了合成語音信號。最后還要對合成語音信號進行后處理，以提高合成語音的還原質量。

4 AIRM子系統的設計

除完成鍵盤、顯示外，ARM系統的主要任務是完成TCP／IP協議及SIP協議。S3C44B0X是SA．MSUNG(三星)公司一款基于ARM7TDMI 內核的SOC芯片。ARM7TDMI是ARM公司為普通目的而設計的一款32位微處理器，其特點是高性能、低價位、低功耗。I／O電壓3．3 V，內核電壓2．5 V，所以在整個系統中功耗非常低 ]。同時片內資源非常豐富很適合嵌入式產品的開發。

4．1 SIP協議的實現

SIP本身是一個應用層的交互協議，邏輯上被化分為多個層，第1層也就是最低層是對語法和編碼的定義，第2層定義了一個UAC如何發送會話請求和接收響應以及一個UAS如何接收會話請求和發送響應，第3層稱為事務層，事務是對所有發出的會話請求和對應請求的所有響應集合的定義“第4層稱為事務用戶(rIU)，端口以及用來發送請求的傳輸機制等信息”將SIP協議分層主要是為了表述的方便，其本質就是在不同的狀態下如何發送響應或請求的過程，也就是狀態機的實現“通過分析發現可以使用統一的方法實現SIP協議” 。其中用到的數據結構：
ty~ ef struct transition{
int iState；
int iEvent；
int(}methord)(void P)；
struct transition pNext：
}transit ion_t；
在結構體中iState存放狀態編號，iEvent存放此狀態下要響應的消息編號，函數指針method存放iState狀態下收iEvent消息的處理函數地址“通過對SIP協議標準的分析，狀態和消息的組合有多種況也就是會有多個transition_t類型的結構體，使用哈希表理可以提高查找某個結構體的速度“pNext用于Hash沖時將沖突的結構體構成鏈表” 。其實現流程如下：

(1)根據SIP協議標準劃分狀態，確定每個狀態下響應的消息，定義由狀態和響應消息所決定的處理方法，對應每種情況將得到一個transition_t類型的結構體，對應所有情況假設會得到 個結構體，將 個結構體存放于結構體數組aTransitionArray中；

(2)根據Hash算法將數組中的每一個結構體的指針存放于結構體指針數組中；

(3)業務啟動，初始狀態下全局狀態編號gState為0；

(4)接收消息，根據收到的消息，和當前的狀態號gState的值，利用第二步同樣的Hash算法，得到對應transition_t類型結構體指針在aTransition．PointerArray中的位置，也就得到了transition—t類型的結構體指針，執行對應結構體中的函數meth一0d．．在method中定義了是否改變狀態編號gState，也就是狀態遷移，以及內部如何處理，如何發出響應消息等；
(5)繼續執行狀態4，直到狀態機退出，會話結束。

4．2 TCP／IP協議的實現

網卡電路通過REL8019AS實現，8019AS工作在16位模式(通過ISA引腳接高電平實現)，8019工作在93e46模式；MAC地址、8019初始化信息通過93C46進行設置。ARM主要實現ARP、IP、ICMP、TCP、UDP協議。

(1)ARP協議實現：ARP是Address ResolutionProtocol的縮寫。中文譯為“地址解析協議”，其本質是完成網絡地址到物理地址的映射。整個ARP處理過程，主要用5個函數實現。ARP初始化(ARP—init)、ARP請求(ARP—request)、ARP應答(ARP_answer)、ARP回應處理(ARP_process)、IP包接收預處理(IP_in)；

(2)IP協議實現：IP協議為不同網絡的主機之間發送數據報的操作序列提供無連接服務。通過在數據報前添加IP協議頭，使每個數據報具有尋址能力。其主要由兩個函數完成，發送IP數據(ip_send)、接受IP數據(ip_reve)；

(3)ICMP協議實現：ICMP傳遞差錯報文以及其他需要注意的信息，其主要由3個函數完成，發送ICMP請求給目的主機并等待返回ICMP應答(ping_send)、目的主機無法達到處理函數(dest—unreach— send)、接收ICMP回顯數據函數(icmp—rcve)；

(4)UDP協議實現：UDP是一個簡單的面向數據報的傳輸層協議，提供和IP一樣得不可靠的無連接數據報傳輸服務。它不使用確認信息對報文的到達進行確認，不對收到的報文進行排序，也不提供反饋信息來控制機器之間傳輸的信息流量，其由兩個函數實現，發送UDP數據報(udp—send)、接收UDP數據報(udp_rcve)；

(5)TCP協議實現：TCP是一個面向連接的、可靠的運輸層協議，它使用滑動窗協議完成流控制，使用確認分組、超時、和重傳來完成差錯控制，其主要由5個函數實現，TCP協議初始化(init_ tcp)、發送TCP數據(tcp—send)、重發TCP數據(Tcp_retransmit)、停止TCP(Tcp—inactivity)、接收TCP數據(tcp_rcve)。

5 ARM與DSP的通信

TMS320C5416具有16位并行高速接口HPI，通過此借口S3C44B0可以高速訪問DSP的內部存儲空間，包括片內外映像存儲器 。其硬件連接如圖3。

HDO—HD15是一個數據／地址復用的雙向總線，傳送的數據包括控制寄存器的設置值、初始化的訪問地址及真正的數據；HCNTLO／1控制當前訪問的是HPI的哪一個寄存器。這2個信號對應的4個狀態除了區分對HPIC／HPIA／HPID寄存器的訪問，還提供了一個對HPID進行地址自增的訪問方式．HHWIL信號作用是區分第1個／第2個半字節的傳輸。數據選通(HDS1和HDS2)、讀／寫選擇(HR／W)和地址選通(HAS)這幾個信號在功能上相似，通過控制其不同時序可以方便的完成HPI控制。HRDY信號的使能是由HCS信號控制。HAS用于鎖存其他地址控制信號。HPID用于存放ARM從存儲空間讀取的數據，或是ARM要向DSP存儲空間寫入的數據。HPIA用于存放當前ARM訪問DSP存儲空間的地址。系統在上電后，對DSP的HPI接口初始化后就不需要再操作，通過HPI接口ARM與DSP傳遞中斷請求來完成數據的傳遞。

6 結束語

講述了IP網絡電話的系統框圖，介紹了G．729算法的實現方法，介紹了SIP協議、TCP／IP協議在ARM上的實現方法，介紹了DSP與ARM通信方法。實踐證明此種方案實現IP網絡電話切實可行。