VoIP語音卡在路由器中的應(yīng)用及硬件設(shè)計

摘要：介紹了VoIP語音卡在路由器中的應(yīng)用，詳細描述了一款應(yīng)用于路由器的語音卡的硬件結(jié)構(gòu)及其工作方式。

關(guān)鍵詞：VoIP PCI FXS 路由器 語音壓縮

１ ＶｏＩＰ在路由器中的應(yīng)用

近年來，ＶｏＩＰ（Ｖｏｉｃｅ ｏｖｅｒ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）給通信市場帶來了強大的沖擊。ＩＰ語音業(yè)務(wù)推出后，由于其在通話費用上比傳統(tǒng)電話具有突出的優(yōu)勢，因而受到了廣泛歡迎。ＶｏＩＰ技術(shù)在路由器中應(yīng)用，可以大大節(jié)省有多個部門在不同地方辦公的企業(yè)或機構(gòu)的電話費用。圖１為一個ＶｏＩＰ路由器在公安分局與派出所間應(yīng)用的方案。

派出所網(wǎng)點的路由器ＤＣＲ－２５０１Ｖ和ＤＣＲ－２５０９Ｖ使用ＦＲ（幀中繼）或ＤＤＮ線路同分局的ＤＣＲ－３６６０實現(xiàn)互連，各網(wǎng)點的計算機可通過路由器連接分局的局域網(wǎng)或Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；同時，ＤＣＲ－２５０１Ｖ或ＤＣＲ－２５０９Ｖ通過ＦＸＳ語音端口連接普通電話機，分局路由器通過Ｅ＆Ｍ接口和ＰＢＸ連接，這樣既可以實現(xiàn)內(nèi)部各部門間的數(shù)據(jù)通信，同時還可進行零費用的語音通話。

ＶｏＩＰ在費用上呈現(xiàn)巨大優(yōu)勢的原因在于其利用了計算機通訊的分組化、數(shù)字化傳輸技術(shù)，先對語音數(shù)據(jù)按照一定的語音壓縮標準進行壓縮編碼處理，然后把這些數(shù)據(jù)按ＩＰ相關(guān)協(xié)議打包，再將數(shù)據(jù)包通過ＩＰ網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇邮斩耍邮斩藢⑦@些以不同順序到達的數(shù)據(jù)包按其本身順序串起來，并經(jīng)過解碼解壓恢復出原來的語音信號。與傳統(tǒng)的語音業(yè)務(wù)相比，ＶｏＩＰ在時間延遲、話音質(zhì)量等方面存在缺陷?？梢圆捎靡恍┫冗M的協(xié)議如資源預留協(xié)議（ＲＳＶＰ）和不同類型服務(wù)（Ｄｉｆｆｓｅｒｖ）等方案來盡可能的優(yōu)化語音數(shù)據(jù)包的傳輸，以減少傳輸延遲和擁塞。

目前，ＶｏＩＰ的標準主要有國際電信聯(lián)盟技術(shù)部（ＩＴＵ－Ｔ）建議的Ｈ．３２３系統(tǒng)和ＩＥＴＦ建議的會話發(fā)起協(xié)議（Ｓｅｓｓｉｏｎ Ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ＳＩＰ）系統(tǒng)兩種。前者主要在電信網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)制訂，技術(shù)已趨成熟。后者基于動態(tài)的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ模式建網(wǎng)，是基于軟交換技術(shù)的面向網(wǎng)絡(luò)會議和電話的簡單信令協(xié)議。在我國，主要選用Ｈ．３２３技術(shù)標準來實現(xiàn)ＶｏＩＰ，在Ｈ．３２３系列標準中，音頻壓縮編碼標準有Ｇ．７１１、Ｇ．７２２、Ｇ．７２３和Ｇ７２９等。

本文將介紹一種已經(jīng)應(yīng)用于路由器產(chǎn)品中的ＶｏＩＰ語音卡的硬件設(shè)計和工作原理。

２ ＶｏＩＰ語音卡硬件結(jié)構(gòu)

該語音卡基于ＡｕｄｉｏＣｏｄｅｓ公司的ＶｏＰＰ（Ｖｏｉｃｅ Ｏｖｅｒ Ｐａｃｋｅｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，即語音包處理器）ＡＣ４８３０２設(shè)計，采用ＰＣＩ接口界面，可提供兩個ＦＸＳ（Ｆｏｒｅｉｇｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｓｔａｔｉｏｎ）語音／傳真接口，可以方便靈活地應(yīng)用于本公司開發(fā)的系列路由器中，實現(xiàn)ＶｏＩＰ功能。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖２所示，以下介紹各部分硬件的原理和作用。

２．１ ＰＣＩ接口

路由器主板與語音卡之間通過ＰＣＩ總線連接，便于通用。采用了ＰＣＩ接口芯片ＰＬＸ９０３０實現(xiàn)語音卡本地總線（ＨＰＩ）與ＰＣＩ總線之間的轉(zhuǎn)換。由于語音卡上數(shù)據(jù)流量不大，不需要利用如ＤＭＡ方式主動向路由器主板上的Ｍｅｍｏｒｙ空間傳遞數(shù)據(jù)。因此，語音卡工作于ＰＣＩ的從模式方式，ＡＣ４８３０２通過中斷方式接收或發(fā)送語音數(shù)據(jù)，ＰＣＩ總線的數(shù)據(jù)寬度和速度為３２位／３３ＭＨｚ。

２．２ ＣＰＬＤ部分

ＡＣ４８３０２采用８位并行的主處理器接口ＨＰＩ與外部ＣＰＵ（即路由器ＣＰＵ）進行數(shù)據(jù)交換。在本設(shè)計中，ＨＰＩ接口與ＰＬＸ９０３０的本地總線接口時序稍有差別，經(jīng)過ＣＰＬＤ進行調(diào)整。另外，路由器ＣＰＵ還可通過ＣＰＬＤ控制ＣＯＤＥＣ和ＳＬＩＣ芯片。

２．３ ＡＣ４８３０２芯片

ＡＣ４８３０２是ＡｕｄｉｏＣｏｄｅｓ公司推出的一款低功耗、低價格的雙通道語音包處理器，其內(nèi)部集成了一個ＤＳＰ內(nèi)核。該芯片的主要特性如下：

·支持兩個通道的語音壓縮編碼，語音壓縮標準包括Ｇ．７２９Ａ、Ｇ．７２３．１、Ｇ．７２７、Ｇ．７２６、Ｇ．７１１。

·兼容Ｔ．３８或ＦＲＦ．１１傳真中繼（２．４～１４．４ｋｂｐｓ）。

·呼叫ＩＤ產(chǎn)生和檢測，呼叫進程和用戶定義語音的檢測和產(chǎn)生。

·兼容Ｇ．１６８的２５ｍｓ回聲消除。

·高性能的有效語音檢測（ＶＡＤ）和舒適噪聲產(chǎn)生（ＣＮＧ）。

·ＤＴＭＦ檢測和產(chǎn)生。

·Ａ律／μ律可選的Ｃｏｄｅｃ接口，具有輸入輸出增益控制。

·ＰＣＭ Ｈｉｇｈｗａｙ接口。

·并行的主處理器接口（ＨＰＩ）。

ＡＣ４８３０２各部分硬件接口如圖３所示。

圖4 AC48302 HPI存儲器的映射關(guān)系

２．３．１ 語音接口（Ｖｏｉｃｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）

語音接口提供未壓縮的語音、傳真數(shù)據(jù)的輸入輸出通道。語音接口對外提供四根信號線構(gòu)成ＰＣＭ總線，直接連接外部ＣＯＤＥＣ芯片的ＰＣＭ Ｈｉｇｈｗａｙ。這四根信號線為ＰＣＭＩＮ、ＰＣＭＯＵＴ、ＰＣＭＣＬＫ、ＰＣＭＦＳ。ＰＣＭＩＮ輸入從ＣＯＤＥＣ送來的ＰＣＭ信號，ＡＣ４８３０２內(nèi)部的ＤＳＰ按照相應(yīng)標準（如Ｇ．７２９）壓縮后從ＨＰＩ口交給路由器ＣＰＵ轉(zhuǎn)發(fā)。ＰＣＭＯＵＴ則相反，ＡＣ４８３０２將路由器ＣＰＵ送來的語音數(shù)據(jù)按照合適的標準解壓縮，然后從ＰＣＭＯＵＴ口送到外部ＣＯＤＥＣ，ＣＯＤＥＣ經(jīng)過數(shù)／模轉(zhuǎn)換后恢復成語音信號?熏通過用戶接口送給用戶端。ＰＣＭＣＬＫ提供２．０４８ＭＨｚ的比特同步時鐘，而ＰＣＭＦＳ提供８ｋＨｚ的幀同步時鐘。

２．３．２ ＨＰＩ接口

在本設(shè)計中，路由器ＣＰＵ與ＡＣ４８３０２通過ＨＰＩ口進行通信。路由器ＣＰＵ和ＤＳＰ通過ＡＣ４８３０２的片內(nèi)共享的雙口存儲器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。片內(nèi)共享存儲器的映射關(guān)系見圖４。

ＨＰＩ接口包括１根８位數(shù)據(jù)總線和幾根控制總線。路由器ＣＰＵ通過三個寄存器（ＨＰＩＣ、ＨＰＩＡ和ＨＰＩＤ）控制ＡＣ４８３０２及訪問片內(nèi)存儲空間。ＨＰＩＣ為控制寄存器，用來選擇ＡＣ４８３０２的高低字節(jié)順序、產(chǎn)生和接收中斷。ＨＰＩＡ為地址寄存器，用來尋址片內(nèi)的２Ｋ存儲空間。ＨＰＩＤ為數(shù)據(jù)寄存器，用來緩存每次讀寫的兩個字節(jié)數(shù)據(jù)，外部ＣＰＵ可以單個Ｗｏｒｄ或塊數(shù)據(jù)方式訪問ＨＰＩＤ，當以塊數(shù)據(jù)方式訪問時，ＨＰＩＡ寄存器自動累加，這樣可以減少外部ＣＰＵ寫ＨＰＩＡ寄存器的開銷。ＡＣ４８３０２的內(nèi)部寄存器和存儲器為１６位寬度，因此外部ＣＰＵ每次訪問ＡＣ４８３０２必須以兩個字節(jié)為基本單位，信號線ＨＩ／ＬＯ用來選擇高低字節(jié)，信號ＨＲＳ１、ＨＲＳ０指示當前訪問的是哪個寄存器。

除了以上兩個重要的接口外，ＡＣ４８３０２內(nèi)部還包含一個ＰＣＭ時鐘發(fā)生器、一個用于測試的ＪＴＡＧ接口以及一個用于訪問外部ＳＲＡＭ及處理信道輔助信令的Ｍｅｍｏｒｙ＆Ｉ／Ｏ接口。

２．４ ＣＯＤＥＣ接口芯片

ＣＯＤＥＣ芯片負責對ＤＳＰ解壓縮后送來的ＰＣＭ數(shù)據(jù)進行解碼，并將濾波后的模擬語音信號送到用戶線接口芯片ＳＬＩＣ，ＳＬＩＣ對其進行２－４線轉(zhuǎn)換后送給用戶端；同時，ＣＯＤＥＣ還負責將ＳＬＩＣ送來的模擬語音信號進行ＰＣＭ編碼，然后送到ＤＳＰ芯片進行壓縮處理。

本設(shè)計中，ＣＯＤＥＣ芯片采用ＩＤＴ公司的４通道ＰＣＭ編解碼芯片ＩＤＴ８２１０３４。該芯片具有可編程增益設(shè)置、主時鐘可選（２．０４８ＭＨｚ、４．０９６ＭＨｚ和８．１９２ＭＨｚ）、最大可支持１２８個可編程時隙、Ａ律／μ律可選、內(nèi)置數(shù)字濾波器、串行控制接口、低功耗等特點。本設(shè)計中選用主時鐘為２．０４８ＭＨｚ（Ｅ１幀模式），可劃分為３２個相等的時隙（Ｓｌｏｔ０～Ｓｌｏｔ３１），４個通道的接收和發(fā)送時隙可通過向串行控制口寫入控制字進行動態(tài)選擇。各時隙的位置都以８ｋＨｚ的幀同步時鐘信號為參考，在ＩＤＴ８２１０３４中，時隙０相對幀同步脈沖的位置有延遲模式和非延遲模式（圖６即為非延遲模式）。

ＰＣＭ主時鐘（ＢＣＬＫ）、幀同步時鐘（ＦＳ）、接收數(shù)據(jù)（ＤＲ）和發(fā)送數(shù)據(jù)（ＤＸ）一起構(gòu)成ＰＣＭ Ｈｉｇｈｗａｙ信號，與ＡＣ４８３０２進行連接。ＢＣＬＫ與ＦＳ分別對應(yīng)ＡＣ４８３０２的ＰＣＭＣＬＫ和ＰＣＭＦＳ，這兩個時鐘信號都由ＡＣ４８３０２ 產(chǎn)生；ＤＲ和ＤＸ分別對應(yīng)ＡＣ４８３０２的ＰＣＭＯＵＴ和ＰＣＭＩＮ。ＰＣＭ Ｈｉｇｈｗａｙ信號時序以及時隙與幀同步信號的關(guān)系分別如圖５、圖６所示。為了ＣＯＤＥＣ與ＤＳＰ芯片間正確收發(fā)數(shù)據(jù)，一般選擇ＣＯＤＥＣ芯片在ＢＣＬＫ的上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)ＤＸ，下降沿采樣數(shù)據(jù)ＤＲ，而在另一端的ＡＣ４８３０２，則在時鐘下降沿采樣ＰＣＭＩＮ，上升沿發(fā)送ＰＣＭＯＵＴ。

２．５ 用戶線接口（ＳＬＩＣ）芯片

設(shè)計中為了使語音卡能夠提供ＦＸＳ接口功能，采用了愛立信公司的新型ＳＬＩＣ芯片ＰＢＬ８３７１０連接用戶接口。在該芯片內(nèi)部能夠產(chǎn)生高電壓鈴流信號及提供自動電池饋電切換，具有環(huán)流振鈴和地鍵檢測功能及２－４線轉(zhuǎn)換功能。該芯片將許多傳統(tǒng)的振鈴繼電器、鈴流發(fā)生器等器件集成在一個片內(nèi)，節(jié)省了印制板空間和成本。

３ ＶｏＩＰ語音卡硬件驅(qū)動流程

硬件驅(qū)動程序主要完成以下功能：

（１）初始化ＰＬＸ９０３０芯片，配置相關(guān)寄存器，選擇本地總線工作方式。

（２）初始化ＡＣ４８３０２芯片，啟動ＡＣ４８３０２內(nèi)部的ＤＳＰ內(nèi)核到正常工作狀態(tài)。ＡＣ４８３０２的啟動步驟按順序分為以下幾步：核代碼（Ｋｅｒｎｅｌ）下載；程序代碼（Ｐｒｏｇｒａｍ）下載；初始化模式；啟動運行。

（３）驅(qū)動語音卡的正常操作。接收處理摘掛機中斷，將ＳＬＩＣ置于正確狀態(tài)；配置ＣＯＤＥＣ芯片的各通道收發(fā)數(shù)據(jù)時隙以及ＣＯＤＥＣ芯片的增益控制；接收處理ＡＣ４８３０２數(shù)據(jù)包處理中斷，ＡＣ４８３０２每處理完一個語音數(shù)據(jù)包就通過中斷方式通知路由器ＣＰＵ讀取當前Ｂｕｆｆｅｒ中的數(shù)據(jù)或向Ｂｕｆｆｅｒ?qū)懭胂乱粋€數(shù)據(jù)包。

本文采用的是ＦＸＳ接口，只要對ＣＯＤＥＣ后面部分電路稍加改動即可實現(xiàn)ＦＸＯ或Ｅ＆Ｍ接口功能。目前，該語音卡方案在路由器產(chǎn)品中已獲廣泛采用。