VoIP语音卡在路由器中的应用及硬件设计

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VoIP语音卡在路由器中的应用及硬件设计


  

摘要：介绍了VoIP语音卡在路由器中的应用，详细描述了一款应用于路由器的语音卡的硬件结构及其工作方式。
    关键词：VoIP PCI FXS 路由器 语音压缩
１ ＶｏＩＰ在路由器中的应用
    近年来，ＶｏＩＰ（Ｖｏｉｃｅ ｏｖｅｒ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）给通信市场带来了强大的冲击。ＩＰ语音业务推出后，由于其在通话费用上比传统电话具有突出的优势，因而受到了广泛欢迎。ＶｏＩＰ技术在路由器中应用，可以大大节省有多个部门在不同地方办公的企业或机构的电话费用。
    派出所网点的路由器ＤＣＲ－２５０１Ｖ和ＤＣＲ－２５０９Ｖ使用ＦＲ（帧中继）或ＤＤＮ线路同分局的ＤＣＲ－３６６０实现互连，各网点的计算机可通过路由器连接分局的局域网或Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，实现数据通信；同时，ＤＣＲ－２５０１Ｖ或ＤＣＲ－２５０９Ｖ通过ＦＸＳ语音端口连接普通电话机，分局路由器通过Ｅ＆Ｍ接口和ＰＢＸ连接，这样既可以实现内部各部门间的数据通信，同时还可进行零费用的语音通话。
    ＶｏＩＰ在费用上呈现巨大优势的原因在于其利用了计算机通讯的分组化、数字化传输技术，先对语音数据按照一定的语音压缩标准进行压缩编码处理，然后把这些数据按ＩＰ相关协议打包，再将数据包通过ＩＰ网络传输到接收端，接收端将这些以不同顺序到达的数据包按其本身顺序串起来，并经过解码解压恢复出原来的语音信号。与传统的语音业务相比，ＶｏＩＰ在时间延迟、话音质量等方面存在缺陷。可以采用一些先进的协议如资源预留协议（ＲＳＶＰ）和不同类型服务（Ｄｉｆｆｓｅｒｖ）等方案来尽可能的优化语音数据包的传输，以减少传输延迟和拥塞。
    目前，ＶｏＩＰ的标准主要有国际电信联盟技术部（ＩＴＵ－Ｔ）建议的Ｈ．３２３系统和ＩＥＴＦ建议的会话发起协议（Ｓｅｓｓｉｏｎ Ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ＳＩＰ）系统两种。前者主要在电信网络上实现多媒体业务制订，技术已趋成熟。后者基于动态的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ模式建网，是基于软交换技术的面向网络会议和电话的简单信令协议。在我国，主要选用Ｈ．３２３技术标准来实现ＶｏＩＰ，在Ｈ．３２３系列标准中，音频压缩编码标准有Ｇ．７１１、Ｇ．７２２、Ｇ．７２３和Ｇ７２９等。
    本文将介绍一种已经应用于路由器产品中的ＶｏＩＰ语音卡的硬件设计和工作原理。
２ ＶｏＩＰ语音卡硬件结构
    该语音卡基于ＡｕｄｉｏＣｏｄｅｓ公司的ＶｏＰＰ（Ｖｏｉｃｅ Ｏｖｅｒ Ｐａｃｋｅｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，即语音包处理器）ＡＣ４８３０２设计，采用ＰＣＩ接口界面，可提供两个ＦＸＳ（Ｆｏｒｅｉｇｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｓｔａｔｉｏｎ）语音／传真接口，可以方便灵活地应用于本公司开发的系列路由器中，实现ＶｏＩＰ功能。以下介绍各部分硬件的原理和作用。
２．１ ＰＣＩ接口
    路由器主板与语音卡之间通过ＰＣＩ总线连接，便于通用。采用了ＰＣＩ接口芯片ＰＬＸ９０３０实现语音卡本地总线（ＨＰＩ）与ＰＣＩ总线之间的转换。由于语音卡上数据流量不大，不需要利用如ＤＭＡ方式主动向路由器主板上的Ｍｅｍｏｒｙ空间传递数据。因此，语音卡工作于ＰＣＩ的从模式方式，ＡＣ４８３０２通过中断方式接收或发送语音数据，ＰＣＩ总线的数据宽度和速度为３２位／３３ＭＨｚ。
２．２ ＣＰＬＤ部分
    ＡＣ４８３０２采用８位并行的主处理器接口ＨＰＩ与外部ＣＰＵ（即路由器ＣＰＵ）进行数据交换。在本设计中，ＨＰＩ接口与ＰＬＸ９０３０的本地总线接口时序稍有差别，经过ＣＰＬＤ进行调整。另外，路由器ＣＰＵ还可通过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、低价格的双通道语音包处理器，其内部集成了一个ＤＳＰ内核。该芯片的主要特性如下：
·支持两个通道的语音压缩编码，语音压缩标准包括Ｇ．７２９Ａ、Ｇ．７２３．１、Ｇ．７２７、Ｇ．７２６、Ｇ．７１１。
·兼容Ｔ．３８或ＦＲＦ．１１传真中继（２．４～１４．４ｋｂｐｓ）。
·呼叫ＩＤ产生和检测，呼叫进程和用户定义语音的检测和产生。
·兼容Ｇ．１６８的２５ｍｓ回声消除。
·高性能的有效语音检测（ＶＡＤ）和舒适噪声产生（ＣＮＧ）。
·ＤＴＭＦ检测和产生。
·Ａ律／μ律可选的Ｃｏｄｅｃ接口，具有输入输出增益控制。
·ＰＣＭ Ｈｉｇｈｗａｙ接口。
·并行的主处理器接口（ＨＰＩ）。
２．３．１ 语音接口（Ｖｏｉｃｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）
    语音接口提供未压缩的语音、传真数据的输入输出通道。语音接口对外提供四根信号线构成ＰＣＭ总线，直接连接外部ＣＯＤＥＣ芯片的ＰＣＭ Ｈｉｇｈｗａｙ。这四根信号线为ＰＣＭＩＮ、ＰＣＭＯＵＴ、ＰＣＭＣＬＫ、ＰＣＭＦＳ。ＰＣＭＩＮ输入从ＣＯＤＥＣ送来的ＰＣＭ信号，ＡＣ４８３０２内部的ＤＳＰ按照相应标准（如Ｇ．７２９）压缩后从ＨＰＩ口交给路由器ＣＰＵ转发。ＰＣＭＯＵＴ则相反，ＡＣ４８３０２将路由器ＣＰＵ送来的语音数据按照合适的标准解压缩，然后从ＰＣＭＯＵＴ口送到外部ＣＯＤＥＣ，ＣＯＤＥＣ经过数／模转换后恢复成语音信号?熏通过用户接口送给用户端。ＰＣＭＣＬＫ提供２．０４８ＭＨｚ的比特同步时钟，而ＰＣＭＦＳ提供８ｋＨｚ的帧同步时钟。
２．３．２ ＨＰＩ接口
    在本设计中，路由器ＣＰＵ与ＡＣ４８３０２通过ＨＰＩ口进行通信。路由器ＣＰＵ和ＤＳＰ通过ＡＣ４８３０２的片内共享的双口存储器实现数据交互。片内共享存储器的映射关系见图４。
    ＨＰＩ接口包括１根８位数据总线和几根控制总线。路由器ＣＰＵ通过三个寄存器（ＨＰＩＣ、ＨＰＩＡ和ＨＰＩＤ）控制ＡＣ４８３０２及访问片内存储空间。ＨＰＩＣ为控制寄存器，用来选择ＡＣ４８３０２的高低字节顺序、产生和接收中断。ＨＰＩＡ为地址寄存器，用来寻址片内的２Ｋ存储空间。ＨＰＩＤ为数据寄存器，用来缓存每次读写的两个字节数据，外部ＣＰＵ可以单个Ｗｏｒｄ或块数据方式访问ＨＰＩＤ，当以块数据方式访问时，ＨＰＩＡ寄存器自动累加，这样可以减少外部ＣＰＵ写ＨＰＩＡ寄存器的开销。ＡＣ４８３０２的内部寄存器和存储器为１６位宽度，因此外部ＣＰＵ每次访问ＡＣ４８３０２必须以两个字节为基本单位，信号线ＨＩ／ＬＯ用来选择高低字节，信号ＨＲＳ１、ＨＲＳ０指示当前访问的是哪个寄存器。
    除了以上两个重要的接口外，ＡＣ４８３０２内部还包含一个ＰＣＭ时钟发生器、一个用于测试的ＪＴＡＧ接口以及一个用于访问外部ＳＲＡＭ及处理信道辅助信令的Ｍｅｍｏｒｙ＆Ｉ／Ｏ接口。
２．４ ＣＯＤＥＣ接口芯片
    ＣＯＤＥＣ芯片负责对ＤＳＰ解压缩后送来的ＰＣＭ数据进行解码，并将滤波后的模拟语音信号送到用户线接口芯片ＳＬＩＣ，ＳＬＩＣ对其进行２－４线转换后送给用户端；同时，ＣＯＤＥＣ还负责将ＳＬＩＣ送来的模拟语音信号进行ＰＣＭ编码，然后送到ＤＳＰ芯片进行压缩处理。
    本设计中，ＣＯＤＥＣ芯片采用ＩＤＴ公司的４通道ＰＣＭ编解码芯片ＩＤＴ８２１０３４。该芯片具有可编程增益设置、主时钟可选（２．０４８ＭＨｚ、４．０９６ＭＨｚ和８．１９２ＭＨｚ）、最大可支持１２８个可编程时隙、Ａ律／μ律可选、内置数字滤波器、串行控制接口、低功耗等特点。本设计中选用主时钟为２．０４８ＭＨｚ（Ｅ１帧模式），可划分为３２个相等的时隙（Ｓｌｏｔ０～Ｓｌｏｔ３１），４个通道的接收和发送时隙可通过向串行控制口写入控制字进行动态选择。各时隙的位置都以８ｋＨｚ的帧同步时钟信号为参考，在ＩＤＴ８２１０３４中，时隙０相对帧同步脉冲的位置有延迟模式和非延迟模式（图６即为非延迟模式）。
    ＰＣＭ主时钟（ＢＣＬＫ）、帧同步时钟（ＦＳ）、接收数据（ＤＲ）和发送数据（ＤＸ）一起构成ＰＣＭ Ｈｉｇｈｗａｙ信号，与ＡＣ４８３０２进行连接。ＢＣＬＫ与ＦＳ分别对应ＡＣ４８３０２的ＰＣＭＣＬＫ和ＰＣＭＦＳ，这两个时钟信号都由ＡＣ４８３０２ 产生；ＤＲ和ＤＸ分别对应ＡＣ４８３０２的ＰＣＭＯＵＴ和ＰＣＭＩＮ。ＰＣＭ Ｈｉｇｈｗａｙ信号时序以及时隙与帧同步信号的关系分别如图５、图６所示。为了ＣＯＤＥＣ与ＤＳＰ芯片间正确收发数据，一般选择ＣＯＤＥＣ芯片在ＢＣＬＫ的上升沿发送数据ＤＸ，下降沿采样数据ＤＲ，而在另一端的ＡＣ４８３０２，则在时钟下降沿采样ＰＣＭＩＮ，上升沿发送ＰＣＭＯＵＴ。
２．５ 用户线接口（ＳＬＩＣ）芯片
    设计中为了使语音卡能够提供ＦＸＳ接口功能，采用了爱立信公司的新型ＳＬＩＣ芯片ＰＢＬ８３７１０连接用户接口。在该芯片内部能够产生高电压铃流信号及提供自动电池馈电切换，具有环流振铃和地键检测功能及２－４线转换功能。该芯片将许多传统的振铃继电器、铃流发生器等器件集成在一个片内，节省了印制板空间和成本。
３ ＶｏＩＰ语音卡硬件驱动流程
    硬件驱动程序主要完成以下功能：
（１）初始化ＰＬＸ９０３０芯片，配置相关寄存器，选择本地总线工作方式。
（２）初始化ＡＣ４８３０２芯片，启动ＡＣ４８３０２内部的ＤＳＰ内核到正常工作状态。ＡＣ４８３０２的启动步骤按顺序分为以下几步：核代码（Ｋｅｒｎｅｌ）下载；程序代码（Ｐｒｏｇｒａｍ）下载；初始化模式；启动运行。
（３）驱动语音卡的正常操作。接收处理摘挂机中断，将ＳＬＩＣ置于正确状态；配置ＣＯＤＥＣ芯片的各通道收发数据时隙以及ＣＯＤＥＣ芯片的增益控制；接收处理ＡＣ４８３０２数据包处理中断，ＡＣ４８３０２每处理完一个语音数据包就通过中断方式通知路由器ＣＰＵ读取当前Ｂｕｆｆｅｒ中的数据或向Ｂｕｆｆｅｒ写入下一个数据包。
    本文采用的是ＦＸＳ接口，只要对ＣＯＤＥＣ后面部分电路稍加改动即可实现ＦＸＯ或Ｅ＆Ｍ接口功能。目前，该语音卡方案在路由器产品中已获广泛采用。