倚重高性能IP電話語(yǔ)音終端硬件設(shè)計(jì)

摘要：本文基于Motorola和TI的TMS320C5402數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)計(jì)了一種在以太網(wǎng)中進(jìn)行IP電話通信的高性能IP電話語(yǔ)音終端系統(tǒng)硬件平臺(tái)。解決了常規(guī)只用數(shù)字信號(hào)處理器的通信處理能力不高的問(wèn)題。

1 概述
    IP電話是一種利用Internet或者基于其它IP網(wǎng)絡(luò)（如Intranet、幀中繼、或ATM）作為傳輸載體實(shí)現(xiàn)普通電話與普通電話、PC與PC、PC與普通電話之間語(yǔ)音通信的技術(shù)。因此IP電話又稱為網(wǎng)絡(luò)電話（Internet電話），或VoIP（Voice over IP）。IP電話不同于傳統(tǒng)電話，它采用的是分組交換技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)上傳送的是數(shù)據(jù)包，而不是語(yǔ)音信號(hào)，所以，要把語(yǔ)音信號(hào)量化后進(jìn)行編碼、壓縮、打包（分組），使其變?yōu)閿?shù)據(jù)流，傳送到對(duì)方后再進(jìn)行反變換，最終還原為語(yǔ)音信號(hào)。由于IP電話采用了分組交換和統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音、數(shù)據(jù)的綜合傳輸，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本大幅度降低，從而使得用戶承受的通信費(fèi)用大大減少。 采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，可以將原64kb的語(yǔ)音信號(hào)壓縮成8kb或更低碼速率的數(shù)據(jù)流，能夠在同一條線路上傳輸比采用模擬技術(shù)更多的信息。以往的IP電話終端采用DSP作為主要處理器，這種系統(tǒng)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)處理還行，但是通信能力較弱。正是因?yàn)槿绱?，本文基于Motorola和TI的TMS320C5402數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)計(jì)了一種IP電話語(yǔ)音終端系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)在以太網(wǎng)中的IP電話通信。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

    MPC860微處理器是摩托羅拉推出的Power QUICC家族成員之一，是一個(gè)多用途的通訊處理器芯片。它采用嵌入式處理器內(nèi)核（embedded Power PC core）和通訊處理器模塊（CPM）的雙處理器結(jié)構(gòu)。嵌入的Power PC內(nèi)核，負(fù)責(zé)通用的工作，CPM分擔(dān)嵌入式Power PC核的外圍工作任務(wù)，主要進(jìn)行通信業(yè)務(wù)。這種雙處理器體系結(jié)構(gòu)功耗要低于傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的處理器。TMS320C5402是德州儀器公司生產(chǎn)的低功耗高性能的專用定點(diǎn)DSP芯片，其片內(nèi)有RAM 16kb，ROM 4kb，運(yùn)算速度比普通處理器快很多，非常適合于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)字信號(hào)處理。
    在本系統(tǒng)中，對(duì)通信能力和數(shù)字信號(hào)處理要求較高。TI的DSP以其強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)功能在數(shù)字信號(hào)處理方面得到廣泛應(yīng)用，但是其通信能力卻較弱。MPC860強(qiáng)大功能在于它的通信處理能力，正好彌補(bǔ)了TMS320C5402的不足。正是基于MPC860 和TMS320C5402各自特長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)分析，給出如下IP電話終端系統(tǒng)硬件方案：
 

    整個(gè)系統(tǒng)主要分為主控模塊、控制顯示模塊和語(yǔ)音采樣和播放模塊組成。主控模塊由MPC860構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的核心控制；語(yǔ)音處理模塊由TMS320C5402數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成，是整個(gè)系統(tǒng)的語(yǔ)音信號(hào)處理核心；網(wǎng)絡(luò)控制模塊由LXT905構(gòu)成，完成整個(gè)系統(tǒng)和以太網(wǎng)的通信；語(yǔ)音采樣和播放模塊主要由TLC320AD545構(gòu)成，負(fù)責(zé)系統(tǒng)語(yǔ)音信號(hào)的采樣轉(zhuǎn)換和最后的語(yǔ)音播放。其中MPC860和TMS320C5402是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，完成整個(gè)系統(tǒng)的控制和語(yǔ)音信號(hào)的處理。

3 主控模塊和語(yǔ)音處理模塊的設(shè)計(jì)

    主控模塊的MPC860是Motorola專為通信應(yīng)用而設(shè)計(jì)的處理器，在本系統(tǒng)中完成系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、信令交互、呼叫處理等通信功能，是整個(gè)系統(tǒng)的呼叫控制核心。語(yǔ)音處理模塊的TMS320C5402是IT公司專為數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的，在本系統(tǒng)中完成語(yǔ)音信號(hào)的編解碼、壓縮等功能，是整個(gè)系統(tǒng)的語(yǔ)音信號(hào)處理核心單元。
    在系統(tǒng)中，主控模塊的MPC860和語(yǔ)音處理模塊的TMS320C5402采用主從連接。MPC860作為主機(jī)，TMS320C5402作為從機(jī)，兩者通過(guò)HIP接口進(jìn)行通信，連接簡(jiǎn)單。這樣即發(fā)揮了MPC860的通信控制，又發(fā)揮TMS320C5402的數(shù)字信號(hào)處理優(yōu)點(diǎn)。
    在系統(tǒng)的語(yǔ)音處理過(guò)程中需要一定的存儲(chǔ)空間，由TMS320C5402數(shù)字信號(hào)處理器只有16k的片上存儲(chǔ)空間無(wú)法滿足語(yǔ)音處理過(guò)程的要求，因此需要進(jìn)行存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。TMS320C5402帶有內(nèi)存擴(kuò)充，MPC860的內(nèi)存控制器就附帶有8個(gè)內(nèi)存槽。因此在本系統(tǒng)中，對(duì)于存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，可以在TMS320C5402進(jìn)行，也可以在MPC860進(jìn)行。在本系統(tǒng)中為保持MPC860對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的更好的控制和功能緊湊，這里在MPC860上進(jìn)行擴(kuò)展。經(jīng)過(guò)分析比較，決定使用1片4MBFlash E2PROM和2片16MBSDRAM。其中，F(xiàn)lash E2PROM采用Intel公司的28F320B3，占用BANKO，對(duì)應(yīng)于/CS0片選信號(hào)，內(nèi)存管理機(jī)制選擇GPCM（通用片機(jī)選擇機(jī)制），數(shù)據(jù)總線寬度為32位，SDRAM采用SAMSUNG公司的K45281632B。占用BANKI，對(duì)應(yīng)于/CS1片選信號(hào)，內(nèi)存管理機(jī)制選擇UPMA（用戶可編程機(jī)制），2片SDRAM并行使用，數(shù)據(jù)總線寬度為32—bit。如圖2 所示。
       

4 網(wǎng)絡(luò)控制模塊設(shè)計(jì)

    網(wǎng)絡(luò)控制模塊以Intel公司生產(chǎn)的LXT905通用10BASE—T收發(fā)器為核心，再通過(guò)232467SM變壓器提供到附近單元接口AUI或10BASE—T雙絞線的直接連接。完成系統(tǒng)與以太網(wǎng)的通信，包括：Manchester編解碼、接收抑制和發(fā)送脈沖整形、鏈路完整性測(cè)試、10BASE—T極性翻轉(zhuǎn)檢測(cè)與糾正等功能。
在MPC860中有4個(gè)串行通信控制器SCC，可單獨(dú)配置執(zhí)行不同協(xié)議，實(shí)現(xiàn)如橋接、路由、網(wǎng)關(guān)功能等，提供到WAN、LAN和專用網(wǎng)絡(luò)的接口。設(shè)置通用SCC模式寄存器GSMR[MODE]=ob1100，可以選擇Ethernet。SCC將執(zhí)行Ethernet/IEEE802.3所有CSMA/CD的介質(zhì)訪問(wèn)控制MAC和為信道提供接口的功能。由于我們?cè)O(shè)計(jì)的IP電話終端系統(tǒng)主要用在以太網(wǎng)中，進(jìn)行通信，故這里將SCC定義為Ethernet模式。

    圖3是MPC860到Ethernet的信號(hào)連接方法。在MPC860和Ethernet控制器外部還需要一個(gè)串行接口適配器SIA（RJ—45）和收發(fā)器完成到介質(zhì)的接口。
    MPC860內(nèi)核配置SCC為Ethernet控制器工作，除了設(shè)置通用SCC模式寄存器之外，還需要將GSMR的其它域設(shè)定為特定值。如數(shù)據(jù)同步寄存器DSR用來(lái)指定幀的同步圖樣，在Ethernet模式需要設(shè)置DSR[SYN1]=ox55，DSR[SYN2]=oxDE。收發(fā)錯(cuò)誤信息將記錄在SCC Ethernet接收緩存描述符RxBD和SCC Ethernet 發(fā)送緩沖寄存器TxBD中。

5 其它模塊設(shè)計(jì)

    語(yǔ)音采樣和播放模塊的核心是TLC320AD545，它是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的高度音頻編解碼器。語(yǔ)音采樣模塊由一個(gè)編解碼器TLC320AD545、模擬電路和一個(gè)串口組成，同時(shí)它還包括話筒、放大電路、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路。如圖所示：
           

    TLC320AD545的主要功能指標(biāo)：最高采樣率11.025Hz，16bit采樣，80db動(dòng)態(tài)范圍，8歐姆AT41差分揚(yáng)聲驅(qū)動(dòng)。A/D通道與話筒完成語(yǔ)音的數(shù)字化，D/A與揚(yáng)聲器相連將收到的數(shù)字化語(yǔ)音轉(zhuǎn)化成模擬語(yǔ)音播放出來(lái)。串口與TMS320C5402的串口相連完成數(shù)據(jù)傳輸?？刂骑@示模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)LCD顯示。

6 結(jié)束語(yǔ)

    本文基于Motorola的MPC860和TI的TMS320C5402數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)計(jì)了一種在以太網(wǎng)中的進(jìn)行IP電話通信的高性能IP電話語(yǔ)音終端系統(tǒng)。解決了常規(guī)只用數(shù)字信號(hào)處理器的通信處理能力不高的問(wèn)題，對(duì)當(dāng)今IP電話發(fā)展有一定的意義。

參考文獻(xiàn)

JeanWalrand，Pravin Varaiya（美）著，高性能通信網(wǎng)絡(luò) 電子工業(yè)出版社  2000
趙慧玲，梁勇等編著 分組語(yǔ)音技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案  人民郵電出版社   2001
巴繼東，楊九民編著，    IP與光互聯(lián)網(wǎng)       北京郵電大學(xué)出版社   2002
余燕平，李式巨編著，   信息交換與通信網(wǎng)        浙江大學(xué)出版社   2002