實(shí)用以太網(wǎng)電話機(jī)(05-100)

　　網(wǎng)絡(luò)接口

　　網(wǎng)絡(luò)接口芯片采用SMSC公司的LAN91C111芯片，可自適應(yīng)工作于10M/100M兩種速率的以太網(wǎng)。采用該芯片的主要原因是Nios II軟件的IDE(集成開(kāi)發(fā)環(huán)境)對(duì)其提供了較完善的支持，可縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。也可選用其它網(wǎng)絡(luò)接口芯片以進(jìn)一步降低成本。

　　語(yǔ)音編解碼器和語(yǔ)音放大器

　　語(yǔ)音編解碼器選用NS公司的四路PCM CODEC芯片TP3094，可同時(shí)進(jìn)行四路全雙工話音的G.711編解碼。四路語(yǔ)音是為以后的特殊應(yīng)用留余地，如果只需一路話音，可選用該公司的TP3057芯片。語(yǔ)音放大器分為發(fā)送放大器和接收放大器。發(fā)送語(yǔ)音放大器選用Maxim公司的話筒放大器專(zhuān)用芯片MAX4060，能夠適應(yīng)平衡和差分兩種話筒信號(hào)輸入方式，抗噪能力強(qiáng)，功耗低。接收放大器采用普通的LM386芯片，成本低廉，性能可靠。

　　值得指出的是，以太網(wǎng)電話機(jī)與傳統(tǒng)的二線制電話機(jī)不同，由于收發(fā)信道分開(kāi)，不存在“回聲”問(wèn)題，不會(huì)由于收發(fā)電信號(hào)串?dāng)_而引起嘯叫(聲信號(hào)反饋造成的嘯叫另當(dāng)別論)。因此，可以使用較大功率的放大器來(lái)輸出接收到的信號(hào)。本設(shè)計(jì)使用LM386做放大器，除了能夠用揚(yáng)聲器輸出比普通免提電話機(jī)響亮和保真得多的語(yǔ)音外，振鈴聲也可用同一個(gè)揚(yáng)聲器輸出，省去了振鈴蜂鳴器。

　　數(shù)字語(yǔ)音處理電路

　　圖1中，F(xiàn)PGA芯片內(nèi)的資源除構(gòu)建Nios II軟核處理器外，主要用于數(shù)字語(yǔ)音處理，這是本設(shè)計(jì)的重要特色。由硬件電路并行處理收發(fā)語(yǔ)音，可以大幅度地分擔(dān)處理器的工作，又避免了在使用普通的嵌入式處理器時(shí)再外加一片F(xiàn)PGA。由于強(qiáng)實(shí)時(shí)性的語(yǔ)音處理工作由硬件承擔(dān)，Nios II處理器及相應(yīng)軟件可專(zhuān)注于系統(tǒng)管理和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析，增進(jìn)了軟件效率。這一點(diǎn)是保證以太網(wǎng)電話機(jī)聲音質(zhì)量的關(guān)鍵。

　　數(shù)字語(yǔ)音處理電路主要完成以下工作：

• PCM時(shí)序控制
• 信號(hào)音編碼輸出
• 發(fā)送語(yǔ)音緩存
• 發(fā)送語(yǔ)音靜音控制
• 接收語(yǔ)音緩存
• 振鈴信號(hào)輸出

　　其它接口電路

　　除上述電路以外， FPGA芯片內(nèi)還構(gòu)建了以下一些必要的接口電路：

• 叉簧開(kāi)關(guān)接口
• 撥號(hào)鍵盤(pán)接口
• LED接口
• RS232接口
• 配置電路和AS接口
•  JTAG接口

　　軟件方案

　　由于采用了FPGA芯片，大量的信號(hào)處理工作已由硬件完成，因此以太網(wǎng)電話機(jī)的軟件相對(duì)較為簡(jiǎn)單。整機(jī)軟件由嵌入式操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和電話應(yīng)用軟件三部分組成。

　　嵌入式操作系統(tǒng)

　　出于成本考慮，以太網(wǎng)電話機(jī)選擇使用“開(kāi)源”嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS II。由于語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字處理過(guò)程基本已由FPGA硬件完成，操作系統(tǒng)主要起控制和管理作用，所以使用μC/OS II完全能夠勝任。μC/OS II無(wú)內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，在應(yīng)用時(shí)要另行移植TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議到μC/OS II操作系統(tǒng)中。

　　LwIP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

　　以太網(wǎng)電話機(jī)必須采納通用的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，即TCP/IP協(xié)議。這是以太網(wǎng)電話機(jī)能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電話通信的關(guān)鍵軟件。經(jīng)研究，選擇了LwIP來(lái)實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信。LwIP具有很好的兼容性，稍微修改后即可移植到μC/OS II操作系統(tǒng)中并置于μC/OS II的管理和控制之下。

　　在本項(xiàng)目進(jìn)行時(shí)，LwIP協(xié)議棧還沒(méi)有被加入到Altera公司的官方軟件中。但目前Altera公司已經(jīng)把它集成到其IDE里，最常用和最重要的TCP、IP、UDP、ARP、DHCP等協(xié)議均已得到支持，使用更為方便。

　　電話應(yīng)用軟件

　　傳統(tǒng)的電話機(jī)自身無(wú)需任何軟件即可工作，其信令傳輸、信號(hào)音和話音的接續(xù)、交換依賴(lài)于程控交換機(jī)端的軟件來(lái)檢測(cè)和控制。以太網(wǎng)電話機(jī)因?yàn)椴灰缶W(wǎng)絡(luò)端提供額外設(shè)備，所以這些功能都要由電話機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。從一定意義上來(lái)講，是把程控交換機(jī)的功能分散到各個(gè)電話機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，以太網(wǎng)電話機(jī)的應(yīng)用軟件十分類(lèi)似于小程控交換機(jī)的軟件，主要有檢測(cè)摘掛機(jī)狀態(tài)、啟閉各種信號(hào)音、檢測(cè)撥號(hào)信息、向被叫送振鈴信息、和被叫交換語(yǔ)音數(shù)據(jù)等。

　　以太網(wǎng)電話機(jī)的工作過(guò)程

　　本以太網(wǎng)電話機(jī)制作并調(diào)試完成后，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)電話交換的功能，音質(zhì)優(yōu)良，感覺(jué)不出噪聲和延時(shí)，而且沒(méi)有回聲。

　　電話機(jī)上電后，F(xiàn)PGA首先自動(dòng)從EPCS4芯片處取得配置數(shù)據(jù)，完成對(duì)FPGA芯片的邏輯編程，構(gòu)建成片內(nèi)Nios II處理器、硬件外設(shè)接口電路和數(shù)字語(yǔ)音處理等邏輯電路。接著，以太網(wǎng)電話機(jī)啟動(dòng)初始化程序，完成對(duì)硬件的初始化檢測(cè)、硬件外圍設(shè)備工作狀態(tài)的設(shè)定，自動(dòng)把放置在Flash RAM中的應(yīng)用程序加載到SDRAM中。然后，以太網(wǎng)電話機(jī)轉(zhuǎn)入電話應(yīng)用程序，監(jiān)測(cè)本機(jī)的摘掛機(jī)狀態(tài)和來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的其它電話機(jī)呼叫信號(hào)。

　　當(dāng)檢測(cè)到本機(jī)摘機(jī)后，以太網(wǎng)電話機(jī)給本機(jī)送撥號(hào)音，隨即監(jiān)測(cè)來(lái)自撥號(hào)鍵盤(pán)的信息。收到正確的撥號(hào)信息后，電話機(jī)查找存儲(chǔ)的“號(hào)碼—IP地址”對(duì)照表，向被叫用戶(hù)發(fā)送呼叫信息。如果撥號(hào)有誤，電話機(jī)發(fā)忙音，提示用戶(hù)掛機(jī)。

　　被叫收到來(lái)自網(wǎng)絡(luò)上主叫電話機(jī)的呼叫后，如果原處于摘機(jī)或振鈴狀態(tài)，則向主叫返回“忙”信息，主叫收到后結(jié)束呼叫，向本機(jī)送忙音。如果被叫處于掛機(jī)又不振鈴狀態(tài)，則向主叫返回“閑”信息。主叫收到被叫的“閑”信息后，向本機(jī)送回鈴音，同時(shí)向被叫發(fā)“振鈴”信息。被叫收到“振鈴”信息后，電話機(jī)振鈴，振鈴音和主叫的回鈴音同步。一旦被叫摘機(jī)，立即停止振鈴，發(fā)“通話”信息給主叫。主叫收到“通話”信息后停送本機(jī)回鈴音，返回“通話”信息給被叫，雙方進(jìn)入通話狀態(tài)。通話過(guò)程中，主、被叫發(fā)送各自的語(yǔ)音數(shù)據(jù)包給對(duì)方，同時(shí)接收對(duì)方發(fā)來(lái)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)包。在此期間，兩電話機(jī)隨時(shí)檢測(cè)本機(jī)的摘掛機(jī)狀態(tài)。任何一方電話機(jī)掛機(jī)后，停送語(yǔ)音數(shù)據(jù)包，向?qū)Ψ桨l(fā)“結(jié)束”信號(hào)。對(duì)方收到“結(jié)束”信號(hào)后，亦停送語(yǔ)音數(shù)據(jù)包，向本機(jī)送忙音，提示用戶(hù)掛機(jī)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　以太網(wǎng)的應(yīng)用現(xiàn)已十分普及，有了以太網(wǎng)電話機(jī)，只要把電話機(jī)往網(wǎng)絡(luò)上一接，就能給網(wǎng)絡(luò)增加內(nèi)線電話的功能。而由于以太網(wǎng)接入廣域網(wǎng)的技術(shù)十分成熟，只要再開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件，通過(guò)以太網(wǎng)電話機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間電話通信也是可能的。

　　本文雖然只以最普通的雙方通話說(shuō)明了以太網(wǎng)電話機(jī)的功能，但只要網(wǎng)絡(luò)帶寬條件允許，通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)，其它的許多電話功能以至語(yǔ)音調(diào)度功能都可以在以太網(wǎng)電話機(jī)上實(shí)現(xiàn)，并且依然無(wú)需在網(wǎng)絡(luò)上增添額外設(shè)備。這些功能包括呼叫轉(zhuǎn)移、熱線呼叫、遇忙回叫、來(lái)電顯示、免打擾、多方會(huì)議、廣播、分組會(huì)議、用戶(hù)權(quán)限設(shè)定、監(jiān)聽(tīng)、強(qiáng)占強(qiáng)插等等。總之，以太網(wǎng)電話機(jī)可為語(yǔ)音的交換和調(diào)度提供一種新的解決思路。