VINETIC语音处理器在VoIP解决方案中的应用

  在提供低成本电话服务的竞争性电信运营商（CLEC）的推动下，IP语音技术（Voice over IP，简称VoIP）已经做好了大规模部署的准备，并集成到了老牌电信运营商（ILEC）网络中。

  但是，一直以来VoIP服务质量的欠缺阻碍了其真正成为传统的老式电话业务（POTS）的威胁。不过，以后这种情况将不复存在。芯片制造商们正在采取重大措施，确保通过IP网络传输的语音服务质量（QoS）与POTS完全相同。

  VoIP为服务提供商带来了新机会。由于VoIP能将数据和语音服务集成在一起，因此它可实现多种应用。为了满足不同应用的独特要求，出现了多种经过优化的芯片解决方案。本文将说明这些先进的芯片组和片上系统（SoC）设备如何满足服务提供商严格的QoS要求，同时阐述它们如何实现多功能、高质量、全面集成的VoIP系统设计——这些系统将为VoIP技术的总体成功做出贡献。

QoS性能参数和功能模块
  在VoIP领域经常遇到的一个词是QoS。对于VoIP而言，其重要性主要是体现在语音质量上。人耳对延迟、背景噪声和其他线路干扰非常敏感，这些干扰在VoIP里通常是由于回波、抖动和丢包引起的。为了实现高语音质量，VoIP解决方案的所有组件必须以最佳方式进行调节。

  为了更好地了解新解决方案如何克服QoS挑战，让我们先看看这些挑战是什么。

  ● 抖动——指语音包抵达的不规律性。典型语音源以恒定速度生成语音包。然而，在IP网络中，数据包并非始终都是按照原来的顺序抵达目的地——换句话说，抵达速率并非恒定的，并因此造成抖动。

  ● 回波——指听到自己声音的回声。换句话说，回波就是声音向接收方传输的过程中出现泄漏。

  ● 延迟——也称为迟延，指语音信号穿过网络从起点传输到终点所耗的时间。人耳对超过50ms的延迟非常敏感。由于IP是“最大速率（best-effort）”连接，数据网络里的语音包经常遭遇延迟。

  ● 无声阶段——指通话一方聆听另一方的阶段。在这种情况下，没有必要发送无声数据包。

  ● 丢包/迟包/早包——这些包不能及时将信息传输到语音流中，因此其中的语音信息被丢弃。这种包的数量越高，语音质量越低。坏帧掩蔽（BFM）——也称为坏帧移植（BFI）或丢包隐蔽（PLC）——可覆盖一些破坏信息。

VoIP系统构件
  图1显示了VoIP系统的主要构件。

图1 VoIP系统构件

图2 典型的VoIP包

  在VoIP系统中，语音数据以IP包的形式接收（下行）。在网络处理器里，带有正确IP地址（标记为“语音服务”）的数据包被选中并被除去IP报头。通用数据报协议（UDP）报头然后确定正确的语音端口。图2显示了典型的 VoIP包。在除去UDP报头后，RTP（实时协议）报头被发送到抖动缓存里。

  抖动缓存对VoIP网络和设备的语音质量有着非常重要的影响。抖动缓存的任务是存储语音包以便覆盖包抖动。此外，IP网络没有固定的传输路径，因此，每个数据包从起点到目的地可选择不同的路线。这意味着包很少能按照与发送相同的顺序抵达。抖动缓存通过确定抵达时间以及适应网络时间的变化，对数据包进行重新排列，恢复正确的顺序。VoIP系统通常采用适应性抖动缓存，可以最好地适应IP网络的动态性质。最后，正如上面提到的那样，人耳对语音质量非常敏感。因此，抖动缓存必须进行优化，以便最小化抖动和延迟，而不会造成缓存错误（buffer under-run），导致语音中断。

  抖动缓存与播放单元密切协作。播放单元负责在正确的时间播放合适的数据包。如果由于远程站点更高的取样率导致抖动缓存里的数据包太多，播放单元必须丢弃数据包或取样。如果没有数据包，它必须通过类似数据弥补语音间隔。

  在并行方向，语音事件和无声阶段必须进行探测，并且需要生成合适的音调或噪声。

  在播放单元之后，语音被解压缩，然后发送至数模转换器，后又传输到用户线路接口电路（SLIC）。SLIC进行4-2线转换（混合），然后将信号发送至模拟电话。

  与此同时，在上行方向，或被称为发送方向，来自电话的模拟语音信号经过SLIC和数模转换器发送到语音处理单元。这里的第一个装置是线路回波消除（LEC）单元。由于客户端设备或线路卡的额定阻抗与电话实际阻抗之间存在不匹配现象，向2线接口的转换会造成回波。模拟电话的回波尾随脉冲长度通常在4ms的范围内。在IP环境中，所有VoIP供应商都必须确保最大限度地消除系统回波。由于在IP系统里，延迟通常更高，因此实现回波消除至关重要。当回波消除到接近原始状态时，可获得最好的效果。这被称之为近端回波消除。

  一旦回波从系统中消除，语音将进行压缩并封装为RTP数据包。与此同时，信令事件，比如调制解调器音调或DTMF（双音多频）音，被探测到，并且向网络处理器发出通知，在必要的情况下通过编码器自动转换成事件包。语音包然后被传输至处理器，在此，他们相应的UDP和IP报头被添加，然后发送至以太网端口。
上面描述的流程仅与语音呼叫相关。传真呼叫则利用T.38传真中继进行不同的处理，以改进传输质量和性能。T.38是运行在网络处理器上的协议，负责双方的“连接”。此外，T.38要求将传真信号调制和解调成数据包。传真呼叫探测与上述音调探测相同，而取代压缩/解压算法的是调制/解调固件。

  VoIP要实现高的服务质量，要求VoIP设备不同组件之间进行良好交互。语音数据包的传输必须在尽可能短的时间内完成，而且必须尽快处理所有数据包，以便确保语音质量与传统电话服务相同。英飞凌科技公司的VINETIC语音处理器家族能够克服这些挑战。通过将编解码器和语音处理功能集成到一套设备里，VINETIC能够将所有实时和性能关键型功能封装在一起。这样就可轻松实现模块化配置，在使用相同的网络处理器和软件的条件下，能按照需要配置多个语音端口。

VINETIC语音处理器
  英飞凌科技公司的VINETIC语音处理器家族包括多个可灵活伸缩的设备，这些设备在引脚和软件方面互相兼容，可提供2模拟端口和4模拟端口版本。对于VoIP而言，VINETIC-VIP和VINETIC-M是专用设备，可将组包功能集成到设备里。VIP版本具有全面功能：G.729A/B/E、G.728、G.723.1、G.726和G.711压缩和T.38传真中继数据泵。M版本体积略小，通过利用  G.711或G.726允许语音占用更多带宽，从而实现更低价格。
VINETIC家族还包括针对不同应用的特殊要求进行优化的多种SLIC设备，例如，成本优化型CPE振铃SLIC和CO级非振铃和振铃SLIC。

应用和解决方案
  在了解VoIP设备流程之后，让我们看看不同的VoIP应用。下面是VoIP的一些主流应用，同时不同的供应商还推出了一些各不同相同的应用。

  1 支持语音功能的宽带路由器
  第一个应用是带有VoIP功能的宽带路由器。图3显示了一套路由器装置，可提供一个以太网上行链路和多个以太网下行链路。无线LAN（WLAN）通过网络处理器的PCI 接口支持。VoIP语音连接通过使用VINETIC-2CPE（连接有振铃SLIC以便将语音直接集成到数据系统里）进行添加。作为特殊选件的FXO接口（中继接口）也显示在图上，允许将本地呼叫直接路由至PSTN线路。

图3 支持语音功能的宽带路由器

图4 模拟电话适配器

  2 模拟电话适配器
  第二种应用是众所周知的模拟电话适配器（ATA），图4显示的是成本优化型版本。在电缆调制解调器领域的相同应用也被称之为独立媒体终端适配器（SMTA）。

  ATA是仅支持语音的应用，没有数据服务。 它通过以太网接口与调制解调器或路由器进行连接。可选择第二个以太网端口，但数据业务只是进行转换。VoIP语音服务是通过VINETIC-2CPE和高成本效率网络处理器或微型控制器实现的。这种设计使系统厂商能针对成本敏感型市场应用开发小型VoIP设备。

  3 VoIP线路卡
  第三个例子是VoIP线路卡，显示了多信道VoIP解决方案的特征，如图5所示。

图5 VoIP线路卡

  图5中的线路卡反映了通过利用VINETIC设备实现的模块化特征。所有POTS端口都处于并行状态，并与一个高成本效率的网络处理器进行连接。由于语音处理和组包在VINETIC设备内进行，处理器的功能就是充当不同语音端口的汇总电路，将他们传输至单一以太网接点。

  VINETIC-4VIP设备适用于包含G.72x声码器和T.38传真中继的成熟的VoIP服务。VINETIC-4M和VINETIC-4S是两款引脚和软件相互兼容成本节约型设备，比VINETIC-4VIP功能略少。

  VINETIC-4M是VINETIC-4VIP的简化版本，可仅提供G.711和G.726编码，同时保持非阻断型VoIP系统。VINETIC-4S使用“共享线路卡”架构。VINETIC-4VIP设备与VINETIC-4S设备（纯粹的TDM设备）在线路卡上混合在一起，同时保持针脚和软件的兼容性。由于与VINETIC-4VIP设备连接，与TDM设备连接的语音信道可路由至4VIP设备上的VoIP块。这样做的结果是为充分考虑语音端口使用率（Erlang系数）的线路卡节省成本，同时使系统厂商保持全面的灵活性。