RISC/DSP融合可滿足VoIP產(chǎn)品的功耗、成本和性能目標(biāo)

引言：隨著VoIP被廣泛整合進(jìn)入WiFi中，實(shí)現(xiàn)成本、功耗和功能之間的平衡對設(shè)計提出了重大的挑戰(zhàn)。本文描述的具有DSP功能的嵌入式RISC處理器在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性、對功耗影響很小的前提下，為移動電話增加WiFi電話功能提供了很好的解決方案。
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圖1：RISC+DSP方案的功能設(shè)計劃分。
WiFi電話(VoWiFi)的市場容量預(yù)測顯示，隨著消費(fèi)者持續(xù)采用VoIP技術(shù)，WiFi電話的市場容量將大幅增長。這種預(yù)測結(jié)果引起了各地系統(tǒng)集成商和設(shè)計師的關(guān)注，許多設(shè)計公司爭相推出或研究新的解決方案以滿足這種即將到來的市場需求。雖然很容易發(fā)現(xiàn)WiFi電話解決方案的價值所在，但設(shè)計出能夠在成本、功耗和功能之間達(dá)到最佳平衡的市場暢銷產(chǎn)品對現(xiàn)有公司和新進(jìn)入的公司都提出了極大的挑戰(zhàn)。
隨著大眾普遍接受標(biāo)準(zhǔn)化信令格式－會話初始協(xié)議(SIP)，以及免費(fèi)易用的軟件電話包(如Skype)的出現(xiàn)，VoIP電話通話逐漸變得流行起來。隨著WiFi手機(jī)、PDA和能夠在蜂窩和WiFi網(wǎng)絡(luò)間漫游的雙模WiFi/蜂窩手機(jī)中VoIP被整合進(jìn)WiFi，VoIP正在進(jìn)入無線應(yīng)用。據(jù)市場調(diào)查公司In-Stat預(yù)測，雙模手機(jī)和WiFi單模手機(jī)的普通消費(fèi)和商業(yè)應(yīng)用總量在2009年將達(dá)到1.41億部。雖然這種應(yīng)用是迄今為止VoIP的最大市場，但把VoIP整合到如汽車系統(tǒng)和便攜式媒體播放機(jī)(PMP)這樣的其它的功率有限設(shè)備里也會給半導(dǎo)體供應(yīng)商帶來巨大的市場機(jī)遇。
毫無疑問，如今功能豐富的手機(jī)的發(fā)展在功率有限電子設(shè)備中一馬當(dāng)先。最先進(jìn)的手機(jī)具有大屏幕LCD、照相機(jī)、藍(lán)牙和802.11b WiFi連接。用戶可以觀看或捕獲視頻、上網(wǎng)沖浪和檢查電子郵件。這種智能電話需要使用高容量的電池，電池容量可能比普通手機(jī)用的電池容量大三倍。但即使配備了高容量電池，在使用WiFi連接時其總的允許通話時間也會從典型的5小時左右下降至2小時不到。更糟的是，用戶必須采用成本大大增加、體積更大、更重的電池。而通常，電池使用時間和價格是消費(fèi)者最關(guān)注的因素。
在這些功率有限的電話設(shè)備中增加基于WiFi的VoIP功能需要增加支持802.11g WiFi、語音和IP網(wǎng)絡(luò)的軟硬件。雖然這聽起來微不足道，但802.11g的實(shí)現(xiàn)特別具有挑戰(zhàn)性，要知道典型的802.11g筆記本芯片組在傳輸時消耗的電流要比整個手機(jī)在通話期間消耗的電流還要高。典型的手機(jī)在通話時功耗約600mW，而標(biāo)準(zhǔn)的WiFi無線設(shè)備在收發(fā)時的功耗高達(dá)800mW。在基于WiFi的VoIP通話期間，處理器和其它邏輯電路還要消耗額外的功率，因此WiFi電話的總功耗很容易達(dá)到1W的范圍。通話期間功耗增加400mW大約會縮短一半的總體通話時間。
即使處理器并不是這種系統(tǒng)中最耗電的器件，但為了降低整個系統(tǒng)功耗，也很有必要管理處理器的功率。電池技術(shù)的發(fā)展太慢，根本跟不上消費(fèi)者對更長電池壽命和增強(qiáng)的功能的需求，因此處理器和系統(tǒng)電源的效率成為增加功能(此處為WiFi電話)可用的功率預(yù)算,并能夠在不降低用戶使用體驗的條件下實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新服務(wù)的關(guān)鍵因素。對于支持VoIP的電池供電設(shè)備來說，在滿足用戶使用性能的前提下，處理器的最佳選擇應(yīng)該是能實(shí)現(xiàn)最低功耗和最低成本的內(nèi)核。
VoIP的處理
包括雙模和WiFi電話手機(jī)在內(nèi)的大多數(shù)VoIP終端都需要同時支持1~2路語音通道，這確保能滿足雙方和三方會議通話的需求。每路語音通道由用于編解碼的ITU(國際電信聯(lián)盟)G.7xx算法、語音質(zhì)量(G.168-2000)和電話信令(SIP或H.323)組成。
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表1：DSP增強(qiáng)型RISC處理器上的語音處理。
一個VoIP設(shè)備必須支持多個編解碼類型，具體使用類型取決于各自的網(wǎng)絡(luò)要求。常用的編解碼標(biāo)準(zhǔn)有G.729AB、G.723.1、G.711和iLBC。語音質(zhì)量組件包括聲學(xué)回聲消除(G.167 AEC)、語音活動檢測(VAD)和舒適噪聲產(chǎn)生(CNG)以及抖動緩沖：回聲消除用于濾除語音的回聲，VAD用來編碼和壓縮語句間的靜音，而CNG用來在電路或環(huán)境導(dǎo)致的噪聲情況下提供語音檢測。抖動緩沖可以確保不管經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的延時有多大，語音包括都能以正確的順序得到處理，同時使包的丟失最少。其它組件還有像用于語音郵件和尋呼的雙音多頻(DTMF)信號系統(tǒng)撥號這樣的電話算法、基于SIP或H.323的通話建立控制。實(shí)際上，上述標(biāo)準(zhǔn)目前已經(jīng)很普遍，但任何VoIP應(yīng)用都需要具備軟件可升級性，語音編解碼和通話控制標(biāo)準(zhǔn)還在不斷發(fā)展，因此現(xiàn)在的設(shè)計能夠支持可能出現(xiàn)的新的語音算法或標(biāo)準(zhǔn)是非常重要的。
這些算法的處理傳統(tǒng)上都是在雙內(nèi)核系統(tǒng)上進(jìn)行的，系統(tǒng)中的通用處理器用于控制和管理功能，DSP內(nèi)核用于語音編解碼和高質(zhì)量的算法處理。如表1所示的頻率評估那樣，如今整合了RISC和DSP功能的嵌入式處理器足夠為全雙工通道提供執(zhí)行這些運(yùn)算所需的帶寬。雖然每個架構(gòu)實(shí)現(xiàn)DSP功能的方式不同，因此處理語音算法的效率有高有低，但是設(shè)計師可以采用一種通用規(guī)則，即一個全雙工通道使用約100MHz的帶寬或100MCPS(每秒百萬周期)。在DSP性能得到增強(qiáng)的RISC內(nèi)核上，這個帶寬一