簡介

網絡語音協議（VoIP）的時代就在這里，將電話和數據通信結合在一起，提供低流量的分組語音和傳真數據 - 成本互聯網鏈接。從電路交換到分組交換網絡的轉變，現在以極快的速度繼續，正在鼓勵遠遠超出簡單語音傳輸的應用，包含其他形式的數據，并允許它們通過相同的基礎設施進行傳輸。

嵌入式系統設計人員面臨的VoIP挑戰是選擇一種經濟高效，易于部署且跨市場可擴展的處理解決方案。 “甜點”嵌入式解決方案方法是設計一個平臺，該平臺可以實現低通道數的基本VoIP解決方案，同時保留足夠的增值功能和服務容量，如視頻，音樂，成像和系統控制。下面的討論表明，ADI公司的Blackfin處理器系列提供了這樣一個極具吸引力的解決方案。

什么是VoIP？

今天的語音網絡 - 例如 public交換電話網（PSTN） - 利用數字交換技術在呼叫者和接收者之間建立專用鏈路。雖然此連接僅提供有限的帶寬，但它確實提供了可接受的質量水平，而沒有復雜編碼算法的負擔。

VoIP替代方案使用 Internet協議（IP）發送數字化通過Internet或專用網絡進行語音通信。 IP 數據包由一系列包含控制頭和數據有效負載的數字組成。標頭提供數據包的網絡導航信息，有效負載包含壓縮的語音數據。

雖然電路交換電話處理整個消息，但基于VoIP的數據傳輸是基于數據包的，因此數據的塊 打包（分成單位為傳輸），壓縮并通過網絡發送 - 并最終在指定的接收端重新組裝。關鍵是不需要發送器和接收器之間的專用鏈接。

分組化是傳輸數據的良好匹配（例如，JPEG文件或電子郵件）跨網絡，因為交付屬于非時間關鍵的“盡力而為”類別。網絡有效地從同一媒體上的多個源移動數據。然而，對于語音應用來說，“盡力而為”是不夠的，因為當數據包通過網絡傳輸時的可變長度延遲會降低接收端的解碼音頻信號的質量。出于這個原因，VoIP協議通過QoS（服務質量）技術，專注于管理網絡帶寬，以防止延遲降低語音質量。

打包語音數據涉及向數據添加報頭和報尾信息塊。必須減少打包開銷（由此過程引入的額外時間和數據）以最小化添加的延遲（通過系統的時間延遲）。因此，該過程必須在最小化傳輸延遲和最有效地使用網絡帶寬之間實現平衡 - 較小的大小允許更頻繁地發送分組，而較大的分組需要更長的時間來構成。另一方面，較大的數據包會在較大的語音數據塊中分攤報頭和報尾信息，因此它們比較小的數據包更有效地使用網絡帶寬。

從本質上講，網絡會導致數據速率傳輸變化很大。這種變化稱為 jitter ，通過緩沖數據包足夠長的時間來消除，以確保最慢的數據包及時到達，以正確的順序進行解碼。當然，較大的抖動緩沖器會導致更多的整體系統延遲。

如上所述，延遲表示通過IP系統的時間延遲。 單向延遲是指從單詞發出到呼叫另一端的人聽到單詞的時間。 往返延遲只是兩個單向延遲的總和。延遲值越低，會話的聲音就越自然。對于北美的PSTN電話系統，往返延遲小于150毫秒。

對于VoIP系統，單向延遲高達200毫秒被認為是可以接受的。 VoIP系統中延遲的最大因素是網絡和呼叫兩端的網關。 語音編解碼器（編碼器 - 解碼器）增加了一些延遲 - 但相比之下這通常很小（<20 ms）。

當語音網絡應用程序中的延遲很大時，主要挑戰是取消回聲并消除重疊。 回聲消除直接影響感知質量;當往返延遲超過50毫秒時變得很重要。當單向延遲超過200毫秒時，語音重疊成為一個問題。

因為語音對話過程中大部分時間都是“死時間” - 在沒有說話者說話的情況下 - 編解碼器會利用在這些間隔期間不傳輸任何數據。這種“靜音壓縮”技術可檢測語音活動，并在沒有語音活動時停止傳輸數據，而是產生“舒適”噪音，以確保在沒有人說話時線路不會顯得死亡。

在標準的PSTN電話系統中，由于各種原因會降低降低感知質量的回聲。兩個最常見的原因是電路交換網絡中的阻抗不匹配（“線路回波”）以及電話中麥克風和揚聲器之間的聲學耦合（“聲學回聲”）。當網絡中存在雙線到四線轉換時（例如，模擬信號被轉換為T1系統），線路回波很常見。

因為VoIP系統可以鏈接到PSTN ，他們必須能夠處理線路回聲，而IP電話也可能成為聲學回聲的犧牲品。回聲消除器可以進行優化，以在線路回聲，聲學回聲或兩者上進行操作。取消的有效性直接取決于所用算法的質量。

回聲消除器的一個重要參數是它運行的數據包的長度。簡而言之，回聲消除器保留了傳輸信號的副本。在發送信號之后的給定時間內，它尋求從返回的反射信號中相關和減去發送的信號 - 當然，該信號被延遲并且幅度減小。為了實現有效取消，通常使用標準相關窗口大小（例如，32 ms，64 ms或128 ms）就足夠了，但可能需要更大的尺寸。

新興和當前基于VoIP的應用程序

由于整個高速網絡（而不是專用信道）被用作傳輸機制，因此VoIP系統的主要優點是每個通信會話的成本更低。此外，VoIP呼叫允許網絡運營商避免與電路交換電話網絡相關的大多數互連費用;完成VoIP電話呼叫所需的額外基礎設施很少，因為它使用現有的家用或商用個人計算機（PC）網絡。降低成本的另一個原因是數據網絡運營商通常沒有使用所有可用帶寬，因此額外的VoIP服務目前會產生無關緊要的額外成本開銷負擔。

VoIP用戶傾向于將他們的連接視為“免費”，因為他們可以隨時隨地撥打世界任何地方的電話，每分鐘只需幾美分。雖然他們也向互聯網服務提供商支付月費，但它可以通過數據和語音服務進行攤銷。

除了相對于電路交換域的低成本外，還有許多IP服務的新功能變得可用。例如，PSTN上的來電可以自動重新路由到用戶的VoIP電話，只要它連接到網絡節點即可。這種安排明顯優于全球手機，因為不涉及漫游費用 - 從VoIP的角度來看，最終用戶的位置無關緊要;它被簡單地視為另一個網絡連接點。這在無線局域網（LAN）可用的情況下尤其有用;支持IEEE標準802.11的VoIP手機允許在全球Wi-Fi熱點進行對話，而無需擔心不匹配的通信基礎設施和傳輸標準。

到目前為止，與IP語音相關的所有內容都進行了擴展其他形式的基于數據的通信也是如此。畢竟，一旦數據被數字化和打包，內容的性質就沒那么重要了，只要它被適當地編碼并用足夠的帶寬解碼即可。因此，VoIP基礎設施便于實現全新的網絡化實時應用，例如：

視頻會議

遠程視頻監控

模擬電話適配器

多播

即時消息

游戲

電子白板

更接近查看VoIP系統

圖1顯示了VoIP系統的關鍵組件：信令過程，編碼器/解碼器，傳輸機制和交換網關。

信令過程涉及創建，維護和終止節點之間的連接。

為了降低網絡帶寬要求，音頻和視頻在傳輸之前進行編碼并在接收期間解碼。此壓縮和轉換過程受音頻和視頻流的各種編解碼器標準控制。

壓縮數據包通過由一個或多個傳輸協議控制的網絡移動。 交換網關確保數據包集在目的地與另一個基于IP的系統或PSTN系統互操作。在最終目的地，數據包集被解碼并轉換回音頻/視頻信號，此時它通過接收器的揚聲器和/或顯示單元播放。

OSI（開放系統互連）七層模型（圖2）指定了網絡框架。如果通信會話有兩方，則每個數據生成的數據從頂部開始，經歷任何所需的配置和通過層處理，并最終傳送到物理層以通過介質傳輸。在目的地，處理反向進行，直到最后重新組裝數據包并將數據提供給第二個用戶。

會話控制：H.323與SIP

VoIP系統的第一個要求是會話控制協議，以建立在線狀態并定位用戶，以及設置，修改和終止會話。目前有兩種廣泛使用的協議。從歷史上看，這些協議中的第一個是H.323 *，但SIP（會話啟動協議）正在迅速成為主要標準。讓我們來看看每個人所扮演的角色。

國際電信聯盟（ITU）H.323

H.323是最初為實時多媒體開發的ITU標準（語音）和視頻）會議和補充數據傳輸。它已迅速發展以滿足VoIP網絡的要求。從技術上講，它是許多必需和可選的網絡和媒體編解碼器標準的容器。 H.323的連接信令部分由H.225協議處理，而H.245支持特征協商。

SIP（會話發起協議）

SIP定義由IETF（互聯網工程任務組）根據RFC 3261開發。它是專門為IP電話和其他互聯網服務開發的 - 盡管它在很多方面與H.323重疊，但它通常被認為是一種更簡化的解決方案。

< p> SIP與SDP（會話描述協議）一起用于用戶發現;它提供功能協商和呼叫管理。 SDP本質上是用于在會話通知和邀請期間描述流媒體的初始化參數的格式。 SIP / SDP對有點類似于H.323標準中的H.225 / H.245協議集。

SIP可以在只有兩個端點且沒有服務器基礎結構的系統中使用。但是，在公共網絡中，使用特殊代理和注冊服務器來建立連接。在這樣的設置中，每個客戶端向服務器注冊自己，以便允許呼叫者從因特網上的任何地方找到它。

傳輸層協議

上面的信令協議負責用于跨網絡配置多媒體會話。建立連接后，通過利用一個或多個數據傳輸協議（如UDP或TCP）建立網絡節點之間的媒體流。

UDP（用戶數據報協議）

UDP是一種網絡協議，僅覆蓋廣播的數據包。沒有確認在另一端收到了數據包。由于無法保證傳輸，因此當網絡上存在峰值負載時，語音傳輸將無法與UDP單獨工作。這就是為什么像RTP這樣的媒體傳輸協議通常在UDP之上運行的原因。

TCP（傳輸控制協議）

TCP使用客戶端/服務器通信模型。客戶端請求（并由其提供）網絡中的另一計算機（服務器）的服務。每個客戶端請求都是單獨處理的，與之前的任何請求無關。這可確?！懊赓M”網絡路徑可供其他渠道使用。

TCP會創建較小的數據包，這些數據包可以通過Internet傳輸，并在呼叫的另一端由TCP層接收，這樣數據包就會“重新組合”回原始消息。 IP層解釋每個數據包的地址字段，使其到達正確的目的地。

與UDP不同，TCP確保在接收端完全接收數據包。但是，它通過允許數據包重新傳輸來實現這一點，這會增加對實時數據沒有幫助的延遲。對于語音，由于重傳而導致的延遲分組與丟失的分組一樣糟糕。由于這一特性，TCP通常不被認為是實時流媒體傳輸的適當傳輸。

圖2顯示了TCP / IP Internet模型及其相關協議如何與各種層進行比較和利用OSI模型。

媒體傳輸

如上所述，直接通過傳輸協議發送媒體數據對于實時通信來說效率不高。因此，媒體傳輸層通常負責以有效的方式處理此數據。

RTP（實時傳輸協議）

RTP為實時分組化音頻和視頻數據提供傳送服務。它是通過IP網絡傳輸實時數據的標準方法。該協議駐留在UDP之上，以最小化數據包報頭開銷 - 但需要付出代價;無法保證可靠性或數據包排序。與TCP相比，RTP的可靠性較低 - 但它在數據包傳輸中的延遲較小，因為其數據包頭開銷遠小于TCP（圖3）。

為了維護在給定QoS級別的情況下，RTP對發送的每個數據包使用時間戳，序列編號和傳遞確認。它還支持許多糾錯方案，以提高穩健性，以及加密數據包的一些基本安全選項。

圖4比較了UDP，RTP和TCP的性能和可靠性。

RTCP（RTP控制協議）

RTCP是一種補充協議，用于傳遞控制信息，例如發送和丟失的數據包數，抖動，延遲和端點描述。它對于管理會話時基和分析RTP流的QoS非常有用。它還可以為RTP數據包的有限重傳提供反向信道。

媒體編解碼器

VoIP堆棧的頂部是處理傳輸的實際媒體的協議?？赡苡邢喈敹嗟囊纛l和視頻編解碼器可以饋入媒體傳輸層。最常見的樣本可以在本文最后一頁的側欄中找到。

許多因素有助于確定編解碼器的可行性 - 包括如何有效地利用可用的系統帶寬，它如何處理數據包丟失，以及與之相關的成本，包括知識產權使用費。

Blackfin VoIP Collateral

與利用兩個處理器內核提供的傳統VoIP嵌入式解決方案不同VoIP功能，Blackfin處理器在統一核心架構中提供融合解決方案，允許語音和視頻信號處理與RISC MCU處理同時處理網絡和用戶界面需求。這種在單個融合處理器上提供完整VoIP功能的獨特能力提供了統一的軟件開發環境，更快的系統調試和部署，以及更低的整體系統成本。

例如，ADSP-BF537 Blackfin處理器系列為VoIP部署提供了必要的集成度和性能，以及低功耗。它具有多個集成串行端口（用于無縫連接到音頻模數（A / D）和數模（D / A）轉換器），外部存儲器控制器，用于LCD或視頻編碼器/解碼器連接的并行外設接口（PPI），以及10 / 100BaseT以太網MAC。如有必要，可通過外部存儲器接口安裝第二個以太網MAC。

完整的通信渠道（包括語音和網絡堆棧）使用的處理帶寬不到75 MIPS。由于ADSP-BF537的性能高達600 MHz，因此有必要在多媒體壓縮或解壓縮等功能的基礎上，在VoIP產品組合中提供大量可用的處理器“馬力”。相比之下，競爭的專用VoIP選擇通常是性能受限的，并且幾乎沒有提供功能或差異化的能力。

對于VoIP應用，基于Blackfin的設計針對高質量，低通道數的VoIP解決方案 - 具有處理空間，以適應音樂，視頻和圖像傳輸等附加功能，以及整體系統控制。以下是可用VoIP產品的樣本，從開源解決方案到大批量OEM參考設計：

Blackfin / Linphone

Blackfin VoIP系統可以使用open-design設計源代碼軟件基于μClinux，它是流行的GNU / Linux操作系統的嵌入式版本。一個這樣的通用公共許可證（GPL許可）IP電話包，稱為基于SIP套件的Linphone，已經移植到用于Blackfin處理器的μClinux，允許Blackfin參考設計與任何SIP通信兼容的端點。在具有適當SIP服務器和網關基礎結構的公共網絡中，該系統甚至可用于連接PSTN節點上的電話。對于語音編碼和解碼，Linphone目前的Blackfin實現支持：G.711（A-law和m-law）， GSM （全球移動通信系統）和 Speex < / em>音頻壓縮格式。

Blackfin Linphone參考設計中使用的主要組件是：

Linux TCP / IP網絡堆棧：包括必要的傳輸和控制協議，例如TCP和UDP。

Linphone：主要的VoIP應用程序，包括基于Blackfin的G.711和GSM編解碼器實現。它包括用于桌面PC的圖形用戶界面（GUI）和用于非圖形嵌入式系統的簡單命令行應用程序。

oRTP：一個實現為Linphone開發并根據LGPL許可證發布的RTP協議棧。

oSIP：根據LGPL許可證發布的SIP協議的線程安全實現。

Speex：Speex編解碼器的開源參考實現。針對定點Speex實現的Blackfin特定優化已經回饋到主線代碼分支。

Unicoi Systems基于Blackfin的融合語音網關

Fusion語音網關（圖5） ）是Unicoi Systems的完整語音網關/終端適配器參考設計。憑借在單核Blackfin處理器上運行的路由器功能和全功能SIP電話，Fusion Voice Gateway可以加快終端適配器的上市時間。

Fusion Voice Gateway功能強大的功能，包括G.168回聲消除和多個G.7xx語音編解碼器。 Fusion參考設計還包括全功能的電話和路由器功能，它結合了互聯網路由器，4端口以太網交換機和VoIP網關功能。

Unicoi Systems基于Blackfin的Fusion IP電話

<來自Unicoi Systems的Fusion IP電話是一個完整的軟件/芯片解決方案，提供支持當前和新興IP電話標準的全功能平臺，并具有產品差異化的擴展功能。

Fusion IP電話參考設計降低了BOM成本以及與開發IP電話相關的時間和復雜性。該參考設計軟件圍繞ADSP-BF536設計，提供關鍵處理（例如，實時操作系統，呼叫管理器，語音算法，全雙工免提電話的回聲消除），通信協議（TCP / IPv4 / v6，SIP） ，RTP等）以及構建基本或高級IP電話所需的外圍功能（LCD和鍵盤控制器等）。

Blackfin BRAVO VoIP參考設計

模擬設備Blackfin BRAVO TM VoIP和可視電話參考設計是OEM制造功能豐富，高性能，低成本VoIP桌面電話，可視電話和電話適配器的完整系統解決方案。這些設計包括用于VoIP應用的全套軟件，全部由一整套應用程序接口（API）控制，用于定制和控制核心系統功能。

用于音頻，這些設計支持多個G.7xx音頻編解碼器，符合G.168標準的網絡回聲消除和聲學回聲消除功能，可提高音頻清晰度?？蛇x地，RF收發器可以包括在設計中以提供無線音頻能力。這些設計支持符合H.323和SIP標準的軟件堆棧。

在視頻方面，BRAVO寬帶音頻/視頻通信參考設計（圖6）提供高達每秒30幀的通用中間格式（CIF）彩色視頻，包括支持ITU標準H.263和H.264視頻編解碼器，畫中畫，帶疊加的高分辨率圖形，alpha和色度鍵控以及防閃爍過濾

結論

顯然，VoIP技術有可能徹底改變人們的溝通方式 - 無論是在家還是在工作，插入或不受限制，視頻功能還是只是簡單的心胸。 Blackfin處理器的功能和多功能性，與各種標準一起使用，將使VoIP在嵌入式環境中越來越普遍，在許多尚未體驗這項激動人心的技術優勢的市場中創造增值功能。