基于IXP421的VoIP网关及其性能测评

摘  要：本文简要介绍了基于IXP421的语音网关的系统结构，以及语音DSP模块的工作原理。系统中没有专用的语音DSP，而是由IXP421的XSCALE核实现。系统软件、应用软件和语音DSP共享CPU时间。语音处理能力会受到编码方式和CPU负荷的制约，因此，本文通过实际系统的测试结果对Intel公司声明的性能指标进行了验证。
关键词：VoIP；DSP；XSCALE；编解码

引言
    就VoIP设备来说，如果语音处理器的功能和其它应用功能由一个处理器来完成，必然能极大地简化电路，降低成本。Intel的IXP421即是这些多功能处理器的其中一种，它的PCM接口使VoIP设备的硬件结构大大简化了，还可以通过选择不同微代码的方式实现更加灵活的网络应用。

    Intel提供的解决方案是通过软件DSP实现语音处理，并声明DSP模块可同时处理四路PCM窄带话音，支持多种语音编码及回波消除等功能。众所周知，单路单向PCM语音速率为64Kbps，单路双向为128Kbps，4路双向则为512Kbps，如何保证语音处理所需要的CPU时间是个关键问题。

    另外，回波消除或其它附加功能也会增加处理时间，在设计中还要考虑内存读写、任务切换、中断处理等系统因素造成的影响。

IXP421简介
    IXP421是Intel公司开发的采用XSCALE内核的IXP4xx系列处理器之一，主频为266MHz。IXP421采用多处理引擎和硬件多线程处理机制。它包括了一个处理器内核和两个并行网络处理引擎，其中XSCALE内核为处理器核心，它是以ARM V5内核为原型，进行了DSP功能扩展，并优化了16位数据类型的累加和乘法运算。启动时首先初始化XSCALE核，然后网络处理引擎将从内存下载各自的微代码，以完成外围网络接口的链路层协议处理，它们的执行是完全并行于XSCALE内核的，通过内嵌的消息队列与XSCALE核同步。先进高速总线(AHB)实现网络处理引擎和XSCALE核之间的数据交换，其传输速率达到133.32MHz×32bit，完全能够满足高速网络的数据传输要求。

DSP软件模块
    Intel公司为IXP4xx系列处理器专门开发了DSP软件包。根据实现的不同功能，运行时的DSP模块可分为几个部分，包括网络端点、编码器、解码器、音频生成器、音频检测器、语音播放器、混音器和T.38。如果系统有四路电话，则每一路电话应该分配一个网络端点，一个音频生成器，一个音频检测器，网络端点代表每一路电话所需的TDM前端处理功能，用以实现TDM数据的收发、发送增益控制和回波消除，而音频生成器、音频检测器则分别实现每一路电话的提示音及DTMF音频检测功能。另外，各路电话分享一个编码器和一个解码器，语音分流器负责控制网络端点和编解码器之间的数据流。语音播放器和混音器可多路共用，也可各路单独占用一个，具体个数由应用需求决定。

图1  系统硬件结构

系统结构
    整个系统由用户线接口、以太网接口、处理器和通信控制总线组成，如图1所示。　　

    处理器即IXP421，它是设备运行的嵌入式操作系统及应用程序的载体，主要功能是：在通话过程中充当语音数字处理器并分发语音包给特定的终端；在呼叫建立过程中处理网络协议；初始化并控制各部分硬件模块协同工作；提供用户管理界面。内存芯片容量为64MB，通过PC133内存总线连接IXP421的内存控制器。16MB的Intel Strata Flash芯片通过扩展总线连接IXP421。时钟电路为处理器提供频率为33.33MHz的参照时钟，处理器内核及其集成外围电路的时钟均由此分频得到。复位电路为处理器提供上电复位功能，即在系统加电并稳定后复位引脚，保持至少500ms的低电平。

    用户线接口，以Silicon Laboratroies公司的Si3210型接口芯片为核心，为用户提供模拟电话接口功能，这些功能包括：用户线直流馈电、摘挂机状态检测、DTMF检测、振铃、回铃音及各种提示音、音频采样及D/A、A/D转换，以及PCM数据收发等。

    以太网接口，采用Intel的以太网接口芯片LXT972，其主要功能有：10BASE-T/100BASE-TX自适应、自动网络协商、冲突检测、链路状态告警，通过MII总线接口，配合IXP421的以太网处理引擎(NPE)，实现链路层功能，承载TCP/IP协议及其它应用层网络协议。

    串口，为用户提供基于串口的管理及调试功能。IXP421有两组串行输入、输出接口，分别为UART0和UART1，其中UART0是高速串行通信端口，支持的通信波特率最高达921.6Kbps。UART1为CONSOLE串行通信口，支持的波特率范围为1200bps~231Kbps。

    系统中较为重要的外部总线的作用如下：

    1. HSS(High Speed Serial)总线，连接处理器的WAN/语音NPE和用户线接口芯片(SLIC)，有时钟、帧同步、输入、输出4条线，支持同步串行传输，可配置时钟频率范围为512KHz~8.192MHz。本文应用作为PCM语音信号的传输总线，时钟为2MHz，即总共支持32个时隙。4路SLIC芯片各占一个时隙进行通信。IXP421的一个专用协处理器(VOICE NPE)负责HSS端口的总线数据收发。

    2. MII(Media Independent Interface)总线，连接处理器的以太网NPE和以太网PHY接口芯片LXT972，分为MII数据总线和MII管理信息总线。IXP421的网络处理引擎(NPEA)通过MII收发数据，网络处理引擎独立于主CPU内核工作，采用硬件多线程机制，使数据收发不占用主处理器时间，NPEA运行的微程序可提供对以太网PHY设备的简单控制功能。

　　3. 控制用户线接口芯片的串行外围接口SPI(Serial Peripheral Interface)以菊花链形式串接，有输入、输出、时钟、片选4根线，占用处理器的4个GPIO引脚。以串行8位命令方式读写SLIC的内部寄存器，可以看作SLIC的控制总线。

性能测试
测试方法
    两路电话同时通话。对端电话保持有说话声(本地解码器保持一定的繁忙程度)，用测试机一直ping被测设备的以太网地址，并运行EtherReal工具软件，抓取被测设备发送到对端的RTP包，计算出RTP包时间间隔及抖动的统计值，同时观察通话语音质量。本设备和对端设备每隔5秒发送RTCP协议的发送者报告，分段丢包率是在发送者报告中给出的统计值。

测试说明

空闲时(未建立通话)，被测设备处理器占用率为20%;
被测设备TDM总线数据格式为G711u；
通话时打开回波消除，延迟环节设定为1ms延时;
关闭静音压缩；
对端VoIP设备采用独立的DSP芯片(MindSpeed: M82510-14 )；
网络环境为100BASE-TX以太网，传输延迟小于1ms。

测试结果
    时间间隔、抖动及分段丢包率

    分析：表1的统计数据显示，每种编码的语音包到达对端的时间，都比规定的时间要提前零点几个毫秒，这应该是本设备的DSP处理程序为对端DSP提前预留了处理时间。产生抖动可能是受被测设备系统任务切换时间影响。因为对端设备也在向本端发送RTP包，这就需要本设备的以太网任务、IP协议栈和DSP任务来处理，所以，语音接收和发送过程争抢CPU时间，从而造成小的抖动，而以太网交换机转发过程所造成的抖动应该可以忽略。

    结论：由时间间隔和丢包率可见，被测设备没有因为忙而产生延迟或丢包现象，在测试条件下处理器能力仍有富余。抖动是在设备允许的范围内。
语音质量

    分析：如表2所示，测试中G723.1编码的语音效果有些问题，即对端听本端的声音效果不好，而本端听对端的声音效果很好，这可能是因为Intel的DSP模块与MindSpeed的DSP芯片的某个编解码参数不同。毕竟其它编码方式没有这一问题，所以G723.1的语音质量给了低分。

　　结论：除G.723.1编码语音质量不理想外，其它几种常用的编码效果良好。