一種嵌入式VOWiFi電話終端設(shè)計

引 言

下一代網(wǎng)絡(luò)（Next Generation Network），又稱為次世代網(wǎng)絡(luò)。主要思想是在一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺上以統(tǒng)一管理的方式提供多媒體業(yè)務(wù)，整合現(xiàn)有的市內(nèi)固定電話、移動電話的基礎(chǔ)上（統(tǒng)稱FMC），增加多媒體數(shù)據(jù)服務(wù)及其他增值型服務(wù)。其中話音的交換將采用軟交換技術(shù)，而平臺的主要實現(xiàn)方式為IP技術(shù)，逐步實現(xiàn)統(tǒng)一通信其中voip將是下一代網(wǎng)絡(luò)中的一個重點。為了強調(diào)IP技術(shù)的重要性，業(yè)界的主要公司之一思科公司（Cisco Systems）主張稱為IP-NGN

下一代網(wǎng)絡(luò)NGN（Next Generation Network）已經(jīng)成為通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向，VoIP（Voice over Internet Protocol）簡而言之就是將模擬聲音訊號（Voice）數(shù)字化，以數(shù)據(jù)封包（Data Packet）的型式在 IP 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) （IP Network）上做實時傳遞。 VoIP最大的優(yōu)勢是能廣泛地采用Internet和全球IP互連的環(huán)境，提供比傳統(tǒng)業(yè)務(wù)更多、更好的服務(wù)。 VoIP可以在IP網(wǎng)絡(luò)上便宜的傳送語音、傳真、視頻、和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)，如統(tǒng)一消息、虛擬電話、虛擬語音/傳真郵箱、查號業(yè)務(wù)、Internet呼叫中心、Internet呼叫管理、電視會議、電子商務(wù)、傳真存儲轉(zhuǎn)發(fā)和各種信息的存儲轉(zhuǎn)發(fā)等。 在未來的3到5年，2009年的中國VoIP市場流量將達(dá)到9950億分鐘，而具有更強大實力的新VoIP服務(wù)供應(yīng)商也會涌入市場。無線VoIP在不久的將來會與傳統(tǒng)無線通信實現(xiàn)并存和競爭的關(guān)系，而不是對傳統(tǒng)無線通信的一種廉價替代物。

與此同時無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)發(fā)展迅速。

WLAN主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已從802.11發(fā)展到802.11a／b／g，接入速率已從最高l Mbps發(fā)展到54 Mbps，而且技術(shù)成熟，成本低，普及率提高迅速，迎合了便攜式終端的發(fā)展要求，已得到大量國際廠商的支持和市場的廣泛認(rèn)同。無線局域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Local Area Networks； WLAN）是相當(dāng)便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它利用射頻（Radio Frequency； RF）的技術(shù)，取代舊式礙手礙腳的雙絞銅線（Coaxial）所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)，使得無線局域網(wǎng)絡(luò)能利用簡單的存取架構(gòu)讓用戶透過它，達(dá)到「信息隨身化、便利走天下」的理想境界。對于局域網(wǎng)絡(luò)管理主要工作之一，對于鋪設(shè)電纜或是檢查電纜是否斷線這種耗時的工作，很容易令人煩躁，也不容易在短時間內(nèi)找出斷線所在。再者，由于配合企業(yè)及應(yīng)用環(huán)境不斷的更新與發(fā)展，原有的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須配合重新布局，需要重新安裝網(wǎng)絡(luò)線路，雖然電纜本身并不貴，可是請技術(shù)人員來配線的成本很高，尤其是老舊的大樓，配線工程費用就更高了。因此，架設(shè)無線局域網(wǎng)絡(luò)就成為最佳解決方案。

1 技術(shù)方案

嵌入式VoWiFi電話是能夠在802.11a／b／g無線局域網(wǎng)上進(jìn)行電話通信的設(shè)備。為了能在802.1la／b／g上實現(xiàn)電話通信，必須采用VoIP技術(shù)，本系統(tǒng)VoIP標(biāo)準(zhǔn)可以選擇更靈活的SIP協(xié)議。為了能實現(xiàn)各種通信協(xié)議，完成各種控制和管理工作，滿足今后進(jìn)一步開發(fā)需要，需采用基于微控制器的嵌入式系統(tǒng)。為了提高硬件設(shè)計的靈活性和軟件代碼在平臺間的可移植性，本系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計采用了模塊化的方法。在硬件上，把系統(tǒng)劃分為以太網(wǎng)接口、USB無線網(wǎng)卡接口、音頻接口、串行接口等幾個功能單元；在軟件上，利用嵌入式操作系統(tǒng)分離底層硬件平臺和上層應(yīng)用。

2 硬件設(shè)計

2.1 總體方案

VoWiFi電話硬件技術(shù)方案如圖1所示。ARM9處理器是整個終端的核心部分，外圍包括802.11b／g無線模塊、語音信號處理模塊、鍵盤和LCD電路。ARM嵌入式系統(tǒng)是VoWiFi電話通信控制和管理的核心，它負(fù)責(zé)操作系統(tǒng)的運行、資源的管理和分配、信息數(shù)據(jù)的處理以及與外部擴(kuò)展單元的通信，完成與各個模塊的接口和通信、TCP／IP協(xié)議和SIP協(xié)議的操作等。

802.11b／g無線模塊實現(xiàn)空中無線接口和無線局域網(wǎng)接入功能。選用VIA威盛公司的VT6656 USB無線網(wǎng)卡，VT6656 wLAN控制器包括1個IEEE802.11a／b／gMAC，并集成了一枚基帶處理器支持USB2.O。

在ARM9開發(fā)板內(nèi)部含有1個USB2.O接口控制器，接口電路如圖2所示。共有3個LISB接口（2個Host和1個Device），通過選擇開關(guān)SW800進(jìn)行選通控制。74HC08作為4個二輸入與門邏輯電路，負(fù)責(zé)控制信號的邏輯組合。

語音信號處理模塊用于對語音信號的數(shù)字化處理。本終端的音頻接口由I2S音頻總線接口和UDAl341TS音頻編解碼器組成，I2S接口采用DMA的數(shù)據(jù)傳輸模式。UDAl341TS是一款經(jīng)濟(jì)型音頻編解碼器，它通過I2S數(shù)字音頻接口實現(xiàn)音頻信號的數(shù)字化處理。圖3是EP9302與UDAl341TS的引腳連接示意簡圖。

LCD顯示器和4×4鍵盤用于人機接口，在ARM嵌入式系統(tǒng)支持下實現(xiàn)各種人機操作。考慮到LCD顯示器主要用于號碼以及各種狀態(tài)標(biāo)識顯示，因此采用背光的128×64圖形點陣LCD模塊。LCD（ Liquid Crystal Display），對于許多的用戶而言可能是一個并不算新鮮的名詞了，不過這種技術(shù)存在的歷史可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了我們的想像 －早在19世紀(jì)末，奧地利植物學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了液晶，即液態(tài)的晶體，也就是說一種物質(zhì)同時具備了液體的流動性和類似晶體的某種排列特性。在電場的作用下，液晶分子的排列會產(chǎn)生變化。從而影響到它的光學(xué)性質(zhì)，這種現(xiàn)象叫做電光效應(yīng)。利用液晶的電光效應(yīng)，英國科學(xué)家在上世紀(jì)制造了第一塊液晶顯示器即LCD。今天的液晶顯示器中廣泛采用的是定線狀液晶，如果我們微觀去看它，會發(fā)現(xiàn)它特象棉花棒。與傳統(tǒng)的CRT相比，LCD不但體積小，厚度?。壳?4.1英寸的整機厚度可做到只有5厘米），重量輕、耗能少（1到10 微瓦/平方厘米）、工作電壓低（1.5到6V）且無輻射，無閃爍并能直接與CMOS集成電路匹配。由于優(yōu)點眾多，LCD從1998年開始進(jìn)入臺式機應(yīng)用領(lǐng)域。

3 軟件設(shè)計

本嵌入式WLAN SIP電話終端的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。具體來說，需要如下的軟件。

（1）嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)

提供了嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺，具有將CPU時間、中斷、I／0、定時器等資源包裝起來而留給用戶標(biāo)準(zhǔn)的API系統(tǒng)調(diào)用，對任務(wù)進(jìn)行合理調(diào)度以保證實時性和可靠性等功能。

（2）SIP協(xié)議

SIP協(xié)議主要用于呼叫控制，包括呼叫的建立、維護(hù)和終結(jié)，以及根據(jù)呼叫進(jìn)展情況動態(tài)調(diào)整和修改相關(guān)屬性。SIP協(xié)議的相關(guān)操作包括：SIP消息的發(fā)送和接收、消息的生成與分析、狀態(tài)機的保存與轉(zhuǎn)換、SIP對話的管理、SIP事務(wù)處理機制的運行、SDP消息的構(gòu)造、解析和雙方媒體協(xié)商處理，以及終端的注冊等功能。SIP是類似于HTTP的基于文本的協(xié)議。SIP可以減少應(yīng)用特別是高級應(yīng)用的開發(fā)時間。由于基于IP協(xié)議的SIP利用了IP網(wǎng)絡(luò)，固定網(wǎng)運營商也會逐漸認(rèn)識到SIP技術(shù)對于他們的深遠(yuǎn)意義。SIP（Session Initiation Protocol）是一個會話層的信令控制協(xié)議。用于創(chuàng)建、修改和釋放一個或多個參與者的會話。這些會話可以好似Internet多媒體會議、IP電話或多媒體分發(fā)。會話的參與者可以通過組播（multicast）、網(wǎng)狀單播（unicast）或兩者的混合體進(jìn)行通信。

（3）語音處理軟件

語音處理軟件用于實現(xiàn)用戶間完整的語音交互，可進(jìn)一步劃分為：

①語音處理模塊。負(fù)責(zé)語音數(shù)據(jù)的采集、編解碼和播放，這里采用全世界的電路電話交換網(wǎng)中使用的G.711語音編碼技術(shù)。

②實時媒體傳輸模塊。完成數(shù)據(jù)包的RTP封裝與分解，以及數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。SIP協(xié)議和語音處理是兩個獨立的過程，按照建立SIP會話在前、建立媒體流連接在后，拆除媒體流連接在前、拆除SIP會話在后的順序工作。

（4）硬件設(shè)備驅(qū)動

硬件設(shè)備驅(qū)動包括無線網(wǎng)卡、鍵盤和LCD驅(qū)動。將驅(qū)動程序編譯成內(nèi)核的一個可載入模塊并鏈入內(nèi)核，生成新的可以在目標(biāo)板上運行的內(nèi)核，然后將內(nèi)核燒入目標(biāo)板的Flash中，使它們能正常使用。

（5）終端應(yīng)用程序

終端應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)終端程序的初始化，創(chuàng)建線程；管理程序中各模塊信息，為它們分配資源；通過與用戶的交互，負(fù)責(zé)在全局上控制和管理其他各模塊的工作及模塊間的通信；并作為SIP用戶代理的運行平臺，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的呼叫發(fā)起、呼叫響應(yīng)及呼叫結(jié)束的功能。

在整個系統(tǒng)的工作過程中，包括信令控制協(xié)議的傳輸、信令控制功能的使用、建立連接之后的語音傳輸、實時媒體的傳輸與控制，都是采用UDP方式實現(xiàn)的。語音數(shù)據(jù)要求比較高的實時性及處理速度，而且語音數(shù)據(jù)質(zhì)量對可能出現(xiàn)的因可靠性問題而產(chǎn)生的丟包現(xiàn)象不是很敏感，所以使用UDP作為語音數(shù)據(jù)的傳輸載體。

在整個會話過程中，用來保障實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議是RTP協(xié)議。RTP算法并不作為一個獨立的網(wǎng)絡(luò)層來實現(xiàn)，而是作為應(yīng)用程序代碼的一部分。

4 工作過程與實驗測試

4.1 工作過程

采用嵌入式VOWiFi電話終端、無線AP和基于PC機的SIP軟電話為實驗環(huán)境。VoWiFi終端工作過程為：音頻信號首先經(jīng)過MIC后送入音頻處理單元，完成聲音信號的模／數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過語音編解碼自上而下分別以RTP協(xié)議、UDP協(xié)議、IP協(xié)議將數(shù)據(jù)封裝。ARM9處理器則通過I2S總線由DMA方式把封裝后的數(shù)據(jù)讀取到片外緩存單元SDRAM，當(dāng)所開辟的緩存區(qū)域存滿后，運行無線網(wǎng)卡驅(qū)動，把IP包通過無線網(wǎng)卡發(fā)送出去。在PC上運行的SIP軟電話收到發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后，通過應(yīng)用層軟件把IP包中的音頻數(shù)據(jù)取出，然后調(diào)用PC聲卡驅(qū)動，并把數(shù)據(jù)送入聲卡還原成模擬話音。反方向的數(shù)據(jù)傳輸類似，只是數(shù)據(jù)是由運行于宿主機上TCP／IP的客戶端程序發(fā)送。

4.2 實驗測試

經(jīng)過對終端的注冊、呼叫、撤銷呼叫、語音通信等功能進(jìn)行測試，終端可以對SIP信令過程進(jìn)行很好的控制，從而實現(xiàn)注冊、呼叫等基本功能。在語音傳輸方面，本終端可以與被叫RTP通道進(jìn)行實時語音傳輸，在局域網(wǎng)環(huán)境內(nèi)語音質(zhì)量較好，延遲較小。

結(jié) 語

在介紹VoIP原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于ARM9平臺的嵌入式VoWiFi電話終端的軟硬件。該設(shè)計采用當(dāng)前最流行的嵌入式開發(fā)平臺和開源的Linux操作系統(tǒng)實現(xiàn)了無線局域網(wǎng)上VoIP語音通話功能。創(chuàng)新點在于：在802.11a／b／g無線局域網(wǎng)（wLAN）上，采用VoIP技術(shù)實現(xiàn)VoWiFi電話終端語音通話功能。