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1. IP電話的發展趨勢
IP電話是指利用IP協議通過分組交換網絡進行話音通信的通信方式。因特網是采用統計復用信道技術的分組網絡，與傳統的的電路交換網絡相比，因其帶寬合并和業務綜合等特性使其傳輸設備和信道利用率大大提高，從而降低了系統運營成本。IP電話也因此作為因特網的一個應用得到了迅速發展。特別是VoIP技術與其它互聯網應用技術（如Web）的結合，并借助智能網技術，可以方便地實現許多智能業務，如基于web的呼叫中心。這些先進的業務應用正刺激著傳統的電話通信向真正的基于IP網絡的電話通信轉移。
目前IP電話的接入方式是使用普通電話撥入ITSP (Internet Telephony Service Provider)提供的IP電話網關，然后經過一系列認證，再進行呼叫、接通和通話。造成這種情況的原因是因為目前的網絡環境尚不完善，如帶寬不足，網絡接口尚不能直達用戶等。但隨著因特網的不斷擴展和新技術的出現，我們認為這種IP電話的接入方式會逐漸被淘汰，用戶將直接通過IP電話機撥打電話，而這種IP電話機可能是一個直接連接到因特網的一個獨立設備，也可能是一臺移動電話的手機，還可能是普通桌面PC的外設，甚至于是一臺連接到因特網的智能家用電器的一個附件。
我們所說的這種IP電話的普及首先會出現在大型跨區域公司的企業網內部。目前各大公司都已經部署了公司內部的LAN，有些公司還采用的先進的交換式以太網技術，或者ATM交換機。這樣如果這些公司部署IP電話系統，不僅無需重新架設電話布線系統，而且可以大量節省公司各分部之間的長途通話費用。其次，只要公司內部LAN（也可能是一個跨地區的VPN）的網絡規劃做得好，合理劃分網段，合理分配流量，應該不會出現QOS問題，甚至可以保證話音達到長途質量。引入IP電話網后，公司可以在其上方便地實現各種CTI增值業務，如建立一個基于web的24小時呼叫中心，提供關于公司的業務介紹，各項服務等。
下一步的發展方向必然會是家庭用戶。目前之所以未能在家庭中普及是因為網絡環境尚不具備，話音質量得不到保證。普通家庭用戶的接入設備一般為V.90調制解調器，速度較慢，尚不能達到原來老式電話的話音質量。在今后幾年，隨著網絡基礎設施的完善，xDSL、Cable Modem或其它高速IP接入技術入戶后，IP電話的發展高峰終將到來。IP電話完全可以通過高速接口（如以太網RJ45接口或USB接口）與Cable Modem或xDSL連接，從而直接接入因特網，甚至取代傳統的電話網。
近幾年來，基于IP的數據業務呈爆炸性增長。因特網從一個科研應用的計算機聯網系統，在短短幾年內演變為全面商業化的全球信息網。據IDC預測，未來兩到三年，通過因特網發生的傳真業務將占到10％，電話業務將占到11％。可見IP電話的前景十分樂觀。在未來的通信市場中，由它取代傳統電路交換電話業務并不是不可能。

2．IP電話機的基本硬件結構
與傳統電話機不同，IP電話機需要處理復雜的語音編解碼算法和網絡通信協議，必須以具有很強處理能力的處理器為核心。因此，我們提出了一種以TI DSP TMS320C5402處理器為核心，另外加一片通用微控制器作為協處理器，并集成了話機手柄、鍵盤、液晶顯示和包括RJ45、USB、RS232在內的多種通信接口的IP電話機原型。它可以通過RJ45接口直接連接IP網絡，也可以通過USB或RS232接口與普通臺式PC和其他計算機設備（如路由器等）連接。其基本設計原理如圖1所示。


圖1 IP電話機硬件結構框圖

接口控制邏輯可以處理電話的普通按鍵(0-9,*,#)和附加按鍵（重撥，號碼存貯等）信息，液晶顯示屏用于顯示話機狀態，時間，主/被叫號碼等信息。
USB接口單元采用NS的USBN9602，它是一種支持USB1.1規范的單SIE（Serial Interface Engine）USB控制器芯片，可以提供12Mb/S通信接口。
RS232接口單元是用軟件在DSP上實現的，可提供110－115200波特低速通信接口。
系統的核心是TMS320C5402和MPC860T。C5402是一種具有高處理能力和低功耗特性的16位定點DSP芯片，其主要特點有：1）處理能力高達100MIPS，而且片內集成了16K字的雙存取RAM，程序地址空間最多可擴展到1M字；2）外設接口包括2個多通道帶緩沖的串口，1個HPI口， 2個定時器，和1個可編程時鐘發生器；3）核心電壓為1.8V，I/O電壓為3.3V，而且提供多種降低功耗的措施，包括系統空閑時可以暫時停止時鐘發生器的工作，大大減少了系統的耗電量，尤其適合于便攜式或使用電池供電的設備。因此，該處理器完全能夠滿足IP電話機中的話音數據處理功能的要求。系統中的控制器采用Motorola的MPC860T，它內部集成了32位PowerPC微控制器和10/100Mbps Ethernet MAC, 主要用于處理網絡協議、信令交互、呼叫處理和用戶接口信息。MPC860和數字信號處理器之間采用主從方式連接，兩者通過HPI接口進行通信。在原型機的開發中，我們使用PC仿真MPC860T的功能，即話音經過DSP壓縮打包后不再通過MPC860T進行網絡傳輸，而是通過USB接口將壓縮數據送到PC 機上，并由PC機完成呼叫處理、信令協議交互和網絡路由傳輸等功能。在改進系統中，只需把這部分設計移植到MPC860T＋VxWorks平臺上即可。所以下面我們將主要描述系統的存儲器配置、接口設計和軟件結構，不再對控制器部分設計進行討論。

3．存儲器設計及配置
C5402片內提供了16K字的雙存取RAM可配置為程序存儲空間或數據存儲空間。但由于系統軟件將涉及多種語音編碼標準算法、多種通信協議和復雜的網絡通信協議，需要較大的程序存儲空間。因此，系統擴展了一片64K*16bits的SRAM作為片外程序運行空間，擴展了1片128K*8bits的 Flash用于存放固化的程序和數據。其地址分配如圖2所示。

圖2 C5402的存儲空間分配
另外，Flash的可編程特性有利于系統軟件的升級，可以隨時通過USB或RS232接口與主機通信進行在線軟件更新。同時方便話機擴展附加功能，如存儲一些通信錄數據、話機數據設置等。

4. C5402與USBN9602的接口
USB是由Compaq, Intel , Microsoft , NEC四家公司聯合提出的新一代串行總線接口標準，它支持熱插拔和PnP技術，傳輸速率分為低速(1.5Mb/s)和高速(12Mb/s)兩種。串行差分信號在兩根雙絞線上傳輸，另外兩根線分別為＋5V總線電源和地。USB總線上的數據傳輸遵循USB總線協議。USB總線是一種輪詢式的總線，每次數據傳輸由USB主機控制器發起。各個USB設備根據數據包頭的地址和端點號，解碼屬于自己的數據包。使用USB總線的系統易于擴展，通過USB Hub擴展可連接多達127個外設。標準USB電纜長度為3米（5米，低速）。通過Hub或中繼器可以使外設距離達到30米。為適應各種不同的數據業務， USB1.1規范定義了四種傳輸類型。它們分別是：適于突發，非周期數據的Control傳輸；用于周期、連續數據通信的同步傳輸 (Isochronous Transfers); 中斷類型傳輸(Interrupt Transfer)以及塊類型傳輸(Bulk Transfer)。
在我們的原型系統中，IP電話作為桌面PC機的話音外設，USB總線協議使用控制傳輸和中斷傳輸實現與PC機交換話音數據和信令消息。在改進系統中，將考慮USB總線作為高速通信接口直接與用戶接入設備連接，如連入帶有USB接口的線纜調制解調器或其它數字用戶環路設備。圖3是TMS320C5402與 USB接口芯片USBN9602的連接框圖：

圖3 C5402與USBN9602的連接
USBN9602占用DSP的IO地址空間，DSP通過復用模式(Multiplexed Mode)訪問9602的寄存器和數據：訪問每個寄存器時先通過數據線D0-D7放入要訪問的寄存器的地址，然后將9602的A0控制管腳置低電平，并從 D0－D7讀取數據，從而完成一次寄存器訪問。9602的INTR管腳接54x的中斷INT3管腳，每當有USB（接收、發送、握手消息）事件發生時，產生中斷通知DSP，DSP讀9602的事件寄存器，具體確定是由哪種事件觸發的中斷，調用相應的ISR處理USB數據。
USBN9602有7個FIFO。一個雙向FIFO，深度為8字節，用于控制傳輸；3個接收FIFO，深度分別為32，32，64字節；3個發送 FIFO，深度分別為32，32，64字節。主叫方講話時，話音經過A/D變換，通過DSP的串口遞交給G.723語音編碼器，根據G.723標準（每 30ms為一幀，共240個樣點，壓縮完成后，5.3K速率時一幀壓縮完畢后為20字節，而6.3K速率時一幀壓縮完畢后為24字節）對語音進行編碼，然后由DSP向端點5的FIFO（TXFIFO3，64字節深FIFO）中寫數據，即通過9602的數據寄存器往FIFO中逐字節寫入，寫完該數據包后，置 TX_LAST標志，然后置位TX_EN，開始發送。主機則按固定間隔，如1ms，向9602發送IN令牌，表示主機將要把該端點FIFO中的數據取走。主機成功收到數據后，會向9602發送應答ACK消息，完成一次數據交互過程。
主叫接聽時，被叫的話音數據寫入9602的Interrupt OUT類型端點的FIFO時（端點6的FIFO RXFIFO3， 64字節深），主機發送OUT令牌通知9602接收數據，9602根據事件寄存器（MAEV、RXEV等）判斷出中斷原因，然后調用端點6的ISR進行處理，由G.723.1解碼程序對數據進行解碼。
端點3（TXFIFO2）和端點4（RXFIFO2）負責傳送雙向電話信令消息。

4. 基于C5402的軟RS232接口
RS232為低速率應用提供通信接口，可以與普通PC、路由器連接，還可以與具有RS232接口的PDA連接，以便從PDA上下載用戶的個人電話號碼簿。系統原型中利用5402的XF，BIO，INT0和定時器實現一個最簡RS232接口，支持從110到115200各種波特率。DSP通過XF管腳向 RS232口發送串行數據，通過BIO管腳接收來自RS232口的串行數據。BIO與INT0相連，可以避免頻繁檢測接收管腳的電平。當接收端出現第一個低電平，認為是接收字節的開始位，每次判決電平位置在每個比特的中間位置，可以最大限度的防止誤判的發生。原理如圖4所示。

圖4 C5402與RS232接口的連接
RS232接口的主要邏輯都是用5402匯編語言編寫的，減少了硬件成本和系統體積。發送時先將8位原始數據加上1位起始位和2位停止位，然后根據波特率設定時鐘間隔。每次時鐘中斷發生時，發送1位數據，直到包含這8位原始數據的11位數據全部發送完成。
接收時由低電平觸發INT0中斷，表示有新數據到來，進入INT0中斷服務子程序。為防止誤判，中斷子程序首先檢查接收到的第1位是否為開始位，如果不是說明并未有新數據到來。如果確是開始位，則屏蔽INT0中斷，根據波特率設置定時器，開始數據接收。每次接收時鐘中斷發生，檢測BIO值并將檢測值依次移入接收寄存器。最后去掉開始位和停止位，將8位數據位存入接收緩存，完成1個字節的接收。

5．系統軟件結構
在我們的原型系統中，數字信號處理器作為話音處理器，主要完成話音編解碼、USB通信協議和RS232通信，而虛線框中的部分目前是在PC機上實現的。在改進系統中，這部分軟件要在MPC860T平臺上實現，同時采用實時操作系統VxWorks作為軟件平臺。整個系統的軟件結構如圖5所示。

圖5 IP電話軟件結構圖

其中話音信號處理模塊完成話音編解碼、話音激活檢測(VAD)、聲學回波抵消等功能。語音編解碼可以完成5.3/6.3Kbps G.723.1，8Kbps G.729以及64Kbps G.711等編解碼算法。VAD檢測接收到的信號，判斷是否是語音信號。當檢測到無聲信號幀時，話機只向網絡發送攜帶噪聲特性信息的低比特數據或停止發送數據，從而更有效地節約傳輸帶寬。我們這里討論地IP電話系統中由于不存在傳統電話系統中的2/4線轉換問題，所以不會產生電路回波。但是仍然不能避免聲學回波的出現，如免提功能的使用、手柄耦合效應等，因此必須設計回波抵消模塊來抑制聲學回波的產生。
液晶顯示模塊用于控制液晶顯示屏的顯示功能，如電子時鐘、主被叫號碼信息等。按鍵掃描模塊用于實時掃描鍵盤狀態，獲取用戶按鍵信息。信號音發生模塊用于生成系統所需的各種提示音、震鈴音等音頻信號。
主控制模塊除了協調其它各模塊之間的通信外，主要實現基于H.323協議棧的呼叫處理過程。它根據用戶接口和網絡接口發來的消息進行呼叫的建立、保持和清除等狀態的轉移。如采用H.225.0呼叫信令在終端之間建立/拆除連接；采用H.245進行終端之間的能力交換、打開/關閉邏輯通路、流控消息等。
主機通信模塊完成RS232、USB、RJ45接口的控制功能。
RTP用來承載具有實時特性的話音數據，提供端到端的傳輸服務。這些服務包括負載類型標志、序列號、時間戳和傳遞****。RTP自身不提供任何機制保證及時傳送或服務質量，而依賴于更低層的服務。
TCP/IP協議棧則利用操作系統提供的接口來實現。

6．結束語
基于上述討論，我們開發了一套IP電話的原型機。目前該原型機可以通過USB或RS232接口與PC連接，在PC機上實現H.323協議。同一網段LAN 上的試驗表明，通話質量可以達到長途通信質量，基本無QOS問題。下一步的開發工作將集中于把目前PC實現的TCP/IP協議，H.323協議移植到 MPC860T上，使其成為一臺獨立的IP電話終端設備，可以直接接入因特網。
隨著互聯網迅速向辦公桌和家庭用戶延伸，電話通信的方式也將因IP網絡的普及而發生根本性的改變。我們在這里只是提出了一種IP電話終端的解決方案，實際上由于IP網絡的靈活特性，IP電話將在外部表現形式或功能上均以多種形式出現。一種可能的情形是，無論你是在一臺臺式計算機上，或是在一臺辦公設備旁，還是在操作家里的家用電器，都可以通過IP網絡與世界上的任何人通話。