基于W5300的IP話音技術(shù)研究

呂先望+宋建明+魏萌

摘 要 為了解決基于SIP協(xié)議的VoIP中必須加載服務(wù)器和傳輸帶寬的問題，本文介紹了基于W5300和AMBE在VoIP話音中的應(yīng)用。通過分析基于W5300和ambe這2種芯片的工作原理，提出了將2種芯片通過FPGA芯片進(jìn)行結(jié)合的改進(jìn)方法，并對(duì)改進(jìn)方法的可行性進(jìn)行了闡述，采用硬件電路對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明基于W5300和AMBE在VoIP話音比基于SIP協(xié)議的VoIP有更好的性能。

關(guān)鍵詞 SIP；VoIP；W5300；IP話音

中圖分類號(hào) TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）164-0075-02

隨著移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)的發(fā)展，VoIP（Voice？over？IP）這種基于分組交換的話音通信的迅速崛起[1]。1995年首次提出VoIP，到現(xiàn)在為止，VoIP已經(jīng)在話音通信業(yè)務(wù)中占據(jù)了比較大的筆記。而隨著未來因特網(wǎng)技術(shù)（FIT）概念的提出與LTE技術(shù)的發(fā)展，在未來幾年的通信網(wǎng)絡(luò)中，VoIP將會(huì)占據(jù)更重要的位置[2]。

目前的VoIP的解決方案是由SIP服務(wù)器和終端共同組成。這種解決方案在無線通信系統(tǒng)甚至機(jī)動(dòng)的窄帶的無線通信系統(tǒng)中就會(huì)有2個(gè)問題：一是當(dāng)SIP服務(wù)器設(shè)備沒有開機(jī)或者服務(wù)器壞掉的情況下，系統(tǒng)就只能重新配置才能正常工作；二是這種解決方案的無論哪種編碼方式，其帶寬利用率很高，在窄帶的無線信道中的傳輸比較困難[3]。

為了解決以上2個(gè)問題，本文討論基于W5300和amb3000的VoIP解決方案，W5300使用組播和單播協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)VoIP的傳輸[4]，ambe3000可以實(shí)現(xiàn)話音的更高速率的編解碼功能。在本地可以存儲(chǔ)所有的電話號(hào)碼信息以保證每一個(gè)終端具有服務(wù)器的功能而不需要另外添加服務(wù)器，而ambe3000的高性能的壓縮特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)超低速話音的傳輸[5]。

1 IP話音實(shí)現(xiàn)的硬件方案

本系統(tǒng)中的核心控制模塊采用Altera公司Cyclone？ III系列EP3C80F672I8芯片作為數(shù)字處理芯片，可以使用系統(tǒng)時(shí)鐘為16.384MHz。該器件豐富的I/O管腳，可以實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算，并且芯片中內(nèi)嵌Nios？II軟核，可是實(shí)現(xiàn)CPU控制的操作。

網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊選用Winzet公司的具有MAC、TCP和UDP協(xié)議棧的以太網(wǎng)協(xié)議手法W5300。該芯片最多可同時(shí)支持8個(gè)獨(dú)立端口同時(shí)進(jìn)行連接，有效的通信傳輸速率可達(dá)到90Mbps；與主機(jī)的CPU（Nios？II）接口使用16bit數(shù)據(jù)總線[6]。

PCM編解碼芯片使用Winbond公司的W681512芯片，該芯片支持模擬話音的差分輸入和差分輸出，支持u濾和A濾的PCM編碼[7]。

話音壓縮模塊使用數(shù)字語音系統(tǒng)公司（Digital？ Voice？System？Inc，DVSI）的AMBE-3000芯片，AMBE-3000芯片采用多帶激勵(lì)語音壓縮算法，該芯片能在最低為2.0kbps的速率下提供清晰的話音[8]。

硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 W5300的協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

在硬件連接實(shí)，W5300芯片采用數(shù)據(jù)總線采用16位數(shù)據(jù)的模式、并且采用間接尋址的尋址方式選擇模式和FPGA的Nios？II的地址總線進(jìn)行連接，使用間接尋址可以有效的降低W5300芯片對(duì)F[PGA中硬件資源的占用。總線的連接原理如圖2所示。

由于W5300芯片上電后不能自動(dòng)復(fù)位，所以當(dāng)系統(tǒng)上電之后，必須首先用FPGA產(chǎn)生20ms以上的低電平信號(hào)對(duì)W5300芯片進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位之后，對(duì)系統(tǒng)等待50ms的時(shí)間以保證W5300的內(nèi)部鎖相環(huán)穩(wěn)定工作。

系統(tǒng)復(fù)位完成之后，使用CPU對(duì)W5300芯片進(jìn)行配置，配置的內(nèi)容包括MAC地址的配置、IP地址配置和內(nèi)部收發(fā)存儲(chǔ)器的分配。之后對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議進(jìn)行配置，如開啟UDP協(xié)議、開啟組播協(xié)議、配置組播MAC地址，配置組播IP地址等寄存器進(jìn)行配置。

初始化結(jié)束后系統(tǒng)打開socket端0。組播IP地址應(yīng)該設(shè)置為224.0.0.1～239.255.255.254之間的一個(gè)IP地址作為組播地址，為了避免和其他組播地址的沖突，本系統(tǒng)選用IP地址：224.1.1.11作為本系統(tǒng)的組播地址，設(shè)備的協(xié)議連接完成后，使用CPU查詢W5300芯片的相關(guān)寄存器，看是否有來自系統(tǒng)內(nèi)其余終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包。如果有數(shù)據(jù)包存在，則接收該數(shù)據(jù)包，并關(guān)閉中斷，開始處理接收到的數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包處理完畢后，打開中斷，重新開始查詢相關(guān)的寄存器；如果沒有接收到數(shù)據(jù)包的存在，則檢測(cè)是否有本地話音數(shù)據(jù)需要發(fā)送，當(dāng)檢測(cè)到有本地的話音數(shù)據(jù)時(shí)，使用W5300的基于UDP的組播協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。如圖3所示。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

系統(tǒng)的性能測(cè)試是針對(duì)帶寬，傳輸抖動(dòng)和語音質(zhì)量3方面將設(shè)備和基于SIP協(xié)議的VoIP的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行比對(duì)。

3.1 傳輸帶寬測(cè)試

測(cè)試在發(fā)包間隔為20ms、40ms、60ms、80ms和100ms這5種典型發(fā)包間隔的情況下，2種設(shè)備的傳輸帶寬，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

3.2 傳輸抖動(dòng)測(cè)試

VoIP流量達(dá)到20、60、100、120、140、180路時(shí)，選取新增流量中的一個(gè)VoIP呼叫觀察抖動(dòng)情況，采用VTSW3CM標(biāo)記算法和采用VTSW3CM標(biāo)記算法的區(qū)分服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中，抖動(dòng)變化情況基本一致，均保持在用戶可以接受的范圍，小于14ms。

3.3 語音質(zhì)量測(cè)試

語音質(zhì)量的好壞是設(shè)備性能的最重要的指標(biāo)。我們將設(shè)備與幾款主流的基于SIP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行話音質(zhì)量盲測(cè)。測(cè)試結(jié)果標(biāo)明：設(shè)備與主流的基于SIP協(xié)議的VoIP的設(shè)備的G.729的編碼協(xié)議的話音質(zhì)量相當(dāng)。

4 結(jié)論

將基于W5300的IP話音和傳統(tǒng)的基于SIP協(xié)議的VoIP話音就傳輸帶寬，傳輸抖動(dòng)和話音質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明各方面都有所改善。

參考文獻(xiàn)

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