基于ARM9的VOIP語音終端的研究與設計

【摘要】伴隨VOIP技術的成熟，越來越多的人們通過互聯(lián)網實現了即時通信。本文研究設計了一個基于ARM9硬件平臺的VOIP語音終端。其中介紹了VOIP語音終端的硬件設計和軟件設計，包括SIP協(xié)議棧、語音編解碼庫的移植方法和應用程序的開發(fā)。

【關鍵詞】ARM9;VOIP;語音終端

Abstract：With the VOIPtechnology matures，more and morepeople achievethereal-time communicationthrough the Internet. In this paper，the designof theVOIPvoice terminalisbased onARM9. Thearticle introducesthehardware design and softwaredesign of the terminal，includingtransplanting methods of theSIPprotocol stack together withvoice codeclibraryand application development.

Keywords：ARM9;VOIP;Voice terminal

1.VOIP概述

VoIP（Voice over Internet Protocol）是一種以IP電話為主，并推出相應的增值業(yè)務的技術，它就是將模擬信號（Voice）數字化，以數據封包（Data Packet）的形式在IP網絡（IP Network）上做實時傳遞[1]。

VoIP的基本原理：通過語音的壓縮算法對語音數據編碼進行壓縮處理，然后把這些語音數據按TCP/IP標準進行打包，經過IP網絡把數據包送至接收地，再把這些語音數據包串起來，經過解壓處理后，恢復成原來的語音信號，從而達到由互聯(lián)網傳送語音的目的。

2.SIP協(xié)議說明

SIP（Session Initiation Protocol）是一個應用層的信令控制協(xié)議。用于創(chuàng)建、修改和釋放一個或多個參與者的會話[2]。這些會話可以是Internet多媒體會議、IP電話或多媒體分發(fā)。會話的參與者可以通過組播（multicast）、網狀單播（unicast）或兩者的混合體進行通信。

SIP 會話使用多達四個主要組件：SIP用戶代理、SIP注冊服務器、SIP代理服務器和SIP重定向服務器。這些系統(tǒng)通過傳輸包括了SDP協(xié)議（用于定義消息的內容和特點）的消息來完成 SIP 會話。下面概括性地介紹各個 SIP 組件及其在此過程中的作用。

1）用戶代理

SIP 用戶代理（UA） 是終端用戶設備，如用于創(chuàng)建和管理SIP會話的移動電話、多媒體手持設備、PC、PDA等。用戶代理客戶機發(fā)出消息。用戶代理服務器對消息進行響應。

2）注冊服務器

SIP 注冊服務器是包含域中所有用戶代理的位置的數據庫。在SIP通信中，這些服務器會檢索出對方的IP地址和其他相關信息，并將其發(fā)送到SIP代理服務器。

3）代理服務器

SIP代理服務器接受SIP UA的會話請求并查詢SIP注冊服務器，獲取收件方UA的地址信息。然后，它將會話邀請信息直接轉發(fā)給收件方UA（如果它位于同一域中）或代理服務器（如果UA位于另一域中）。

4）重定向服務器

SIP 重定向服務器允許SIP代理服務器將SIP會話邀請信息定向到外部域。SIP重定向服務器可以與SIP注冊服務器和SIP代理服務器同在一個硬件上。

3.VOIP語音終端的硬件設計

VOIP語音終端硬件原理圖如圖1所示。其語音收發(fā)過程：首先接收模擬語音信號，然后進行A/D轉換、語音壓縮編碼，最后經過打包封裝后傳輸到網絡上;在接收端，VOIP語音終端接收網絡上傳輸來的數據包，經過解封裝、語音解壓縮解碼和轉換后，將模擬語音信號提供給用戶。

從圖中可以看出，VOIP語音終端主要由以下幾部分組成。

1）CPU：這里選用Samsung公司的S3C2410微處理芯片作為終端的CPU，該芯片是專門為網絡應用設計的處理器，是一款由Samsung為手持設備設計的低功耗、高度集成的32位RISC處理器。它的顯著特性是它是一個32位ARM920T RISC處理器，實現了MMU，AMBABUS和Harvard高速緩沖體系結構。通過提供一系列完整的系統(tǒng)外圍設備，S3C2410大大減少了整個系統(tǒng)的成本，消除了為系統(tǒng)配置額外器件的需要。另外，它的工作頻率最高達到203MHz，使得處理器輕松運行于Windows CE，Linux等操作系統(tǒng)以及進行較為復雜的信息處理。

圖1 VOIP語音終端原理框圖

圖2 VOIP應用層軟件流程圖

2）語音編解碼模塊：本文所設計的VOIP語音終端支持G.711、G.723.1、G.729和CVSD等多種編解碼格式，我們選用美國MX.COM.INC公司的CMX639芯片完成CVSD編碼， 其他編碼利用TI公司的TMS320VC5502實現。其中，TMS320VC- 5502是編解碼模塊的主控，所有編解碼的數據必須經過TMS320VC5502。這么做的好處是可以節(jié)約S3C2410的接口資源。

3）CODEC模塊：該模塊的主要功能是完成話音數據的A/D和D/A轉換，我們選擇了ANALOG DEVICES公司的AD73311芯片完成CODEC功能，它同TMS320VC5502交互的是64Kbps的PCM數據。另外，CMX639的輸人輸出必須是模擬信號，因此我們利用S3C2410控制一個繼電器或模擬開關來實現模擬音頻信號的分路。

4.VOIP語音終端的軟件設計

在已經配置好的硬件基礎上，就需要定制平臺和編寫代碼實現各個功能模塊，最終實現整個終端系統(tǒng)。軟件設計主要包括三部分工作：操作系統(tǒng)的選擇與移植、SIP協(xié)議棧實現和語音編解碼庫的實現和應用程序的設計。

4.1 操作系統(tǒng)的選擇與移植

1）選擇Linux作為底層操作系統(tǒng)。

2）本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為：操作系統(tǒng)：Centos7;目標板：ARM9開發(fā)板;編輯器：vi編輯器;編譯器：arm-linux-gcc 3.4.1;編程語言：C語言。

4.2 SIP協(xié)議棧實現

選擇開源SIP協(xié)議棧 Osip2/eXosip作為方案的SIP協(xié)議棧來完成應用程序的開發(fā)，同時按eXosip的推薦采用oRTP協(xié)議棧來實現實時傳輸協(xié)議RTP。Osip2/eXosip和oRTP協(xié)議棧都是用標準c實現的協(xié)議棧，但其默認運行環(huán)境為PC上的Linux，要把它運用到方案的嵌入式環(huán)境中，就需要對其進行編譯移植工作。

主要的編譯步驟如下：

①建立安裝樹，并設定路徑。

Mkdir /armbuild

ExportARM_INSTALL_TREE=/armbuild

②編譯Osip2。

./configure-prefix=/usr-host=arm-linux-with-gnu-ld-disable-static

make

make install DESTDIR=$ARM_INSTALL_TREE

③編譯eXosip。

./configure-prefix=/usr-host=arm-linux-with–gnu-ld-disable-static-disable-glib-with-osip=$ARM_INSTALL_TREE/usr

make

make install DESTDIR=$ARM_INSTALL_TREE

④編譯oRTP。

./configure-prefix=/usr-host=arm-linux-with-gnu-ld-disable-static

make

make install DESTDIR=$ARM_INSTALL_TREE

⑤最后將安裝樹目錄內生成的庫文件放到目標板根文件系統(tǒng)RAMDISK內的/usr目錄下。

4.3 語音編解碼庫的實現

對于語音編解碼庫，我們選用開源的語音編解碼算法 SPEEX。同樣，對其調用的方法，先將其用交叉編譯器編譯為ARM平臺的庫文件，然后下載到目標板中，應用程序通過庫文件對其進行調用。

交叉編譯步驟為：

./configure -prefix=/usr-host=arm -linux-with-gun-ld-disable-static-enable-fixed-point -enable-arm-asm

make

make install DESTDIR=$ARM INSTALL_TREE

4.4 應用程序的設計

對于應用程序部分的開發(fā)，我們主要是調用Osip2/eXosip協(xié)議庫的API接口函數，來完成VOIP語音終端的呼叫過程。主要使用的API有：

1）eXosip_answer_call（）：建立通話，如拒絕通話或超過一分鐘無確認，則中止呼叫。

2）eXosip_build_initial_invite（）：進行呼叫。

3）eXosip_initiate_call（）：進行通話。

4）eXosip_terminate_call（）：中止呼叫。

軟件流程見圖2所示。

程序在PC上編寫完后，用交叉編譯器編譯成ARM平臺的可執(zhí)行文件，再下載到目標板上運行。

5.結論

隨著VOIP技術的飛速發(fā)展，人們對互聯(lián)網免費的語音業(yè)務的使用越來越多。本文研究設計了一種以AMR9為平臺的VOIP語音終端的方法。該設計中涉及的SIP協(xié)議和語音編解碼庫文件開源代碼種類多，ARM嵌入式硬件平臺成熟，設計使用時靈活可靠，大大節(jié)約系統(tǒng)資源，具有很大市場潛力。

參考文獻

[1]張輝，韓佩富等.VOIP在嵌入式終端中的實現[J].通信電子技術，2012.

[2]徐山峰，謝佳.基于SIP協(xié)議的VoIP會議系統(tǒng)的研究與實現[J].計算機光盤軟件與應用，2014（7）.

[3]張小恒.極低速率VOIP 語音終端設計[J].電子制作，2014（5）.

[4]沈鑫剡.多媒體傳輸網絡與VoIP 系統(tǒng)設計[M].人民郵電出版社，2005.

[5]韋東山.嵌入式linuxl應用開發(fā)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[6]Rosenberg J，sehulzrinne H，Camarillo G，et a1.SIP：sessionlnitiationProtocol[S].RFC3261，2002.

作者簡介：謝于晨（1983—），女，碩士，現供職于江西科技學院，主要研究方向：嵌入式開發(fā)，移動通信等。