VoIP语音交换机（精选7篇）
VoIP语音交换机 篇1
当今的Internet不断地在变化着自己的角色, 网络中流动的“比特”所代表的内容已从原来单纯的“数据”逐渐向“多媒体”演变。网络中的信息流量在不断增长, 而基于Internet的各种业务的发展更令人眼花缭乱。IP电 (Voice over IP, 简写为VOIP) 就是其中之一。而软交换机技术又是新一代通信网络VOIP解决方案中的焦点之一, 为企业通讯提供了又一个选择。
根据国际Soft Swich论坛ISC的定义, Soft Swich (软交换) 是基于分组网利用程控软件提供呼叫控制功能和媒体处理相分离的设备和系统。因此, 软交换的基本含义就是将呼叫控制功能从媒体网关 (传输层) 中分离出来, 通过软件实现基本呼叫控制功能, 从而实现呼叫传输与呼叫控制的分离, 为控制、交换和软件可编程功能建立分离的平面。软交换主要是提供连接控制、翻译和选路、网关管理、呼叫控制、宽带管理、信令、安全性和呼叫详细记录等功能。与此同时, 软交换还将网络资源、网络能力封装起来, 通过标准开放的业务接口和业务应用层相连, 可方便地在网络上快速提供新的业务。
一、软交换技术的网络结构
软交换是下一代网络的核心设备之一, 各运营商在组建基于软交换技术的网络机构时, 必须考虑到与其它各种网络的互通。在新一代网络中, 应有一个统一的网络系统结构。
在软交换技术的网络结构中, 软交换位于网络控制层, 较好地实现了基于分组网利用程控软件提供呼叫控制功能和媒体处理相分离的功能。
软交换与应用/业务层之间的接口提供访问各种数据库、三方应用平台、功能服务器等接口, 实现对增值业务、管理业务和三方应用的支持。其中:软交换与应用服务器间的接口可采用SIP、API, 如Pararlay, 提供对三方应用和增值业务的支持;软交换与策略服务器间的接口对网络设备工作进行动态干预, 可采用COPS协议;软交换与网关中心间的接口实现网络管理, 采用SNMP;软交换与智能网SCP之间的接口实现对现有智能网业务的支持, 采用INAP协议。
通过核心分组网与媒体层网关的交互, 接受处理中的呼叫相关信息, 指示网关完成呼叫。其主要人物是在各点之间建立联系, 这些联系可以简单的呼叫, 也可以是一个较为复杂的处理。软交换技术主要用于处理实时业务, 如话音业务、视频业务、多媒体业务等。
软交换之间的接口实现不同与软交换之间的交互, 可采用SIP-T、H.323或BICC协议。
二、软交换技术的设计原理及其实现目标
软交换技术是一个分布式的软件系统, 可以在基于各种不同技术、协议和设备的网络之间提供无缝的互操作性, 其基本设计原理是设法创建一个具有很好的伸缩性、接口标准性、业务开放性等特点的分布式软件系统, 它独立于特定的底层硬件/操作系统, 并能够很好的处理各种业务所需要的同步通信协议, 在一个理想的位置上把该架构推向摩尔曲线轨道。并且它应该有能力支持下列基本要求: (1) 独立于协议和设备的呼叫处理和同步会晤管理应用的开发; (2) 在其软交换网络中能够安全地执行多个第三方应用而不存在由恶意或错误行为的应用所引起的任何有害影响; (3) 第三方硬件销售商能增加所支持新设备和协议的能力; (4) 业务和应用提供者能增加支持全系统范围的策略能力而不会危害其性能和安全; (5) 有能力进行同步通信控制, 以支持包括帐单、网络管理和其他运行支持系统的各种各样的后营业室系统; (6) 支持运行时间捆绑或有助于结构改善的同步通信控制网络的动态拓扑; (7) 从小到大的网络和生错信和支持彻底的故障恢复能力。
软交换的实现目标是在媒体设备和媒体网关的配合下, 通过计算机编程的方式来实现对各种媒体流进行协议转换, 并基于分组网络 (IP/ATM) 的架构实现IP网、ATM网、PSTN网等的互连, 以提供和电路交换机具有相同功能并便于业务增值和灵活性伸缩的设备。
三、软交换多使用的主要协议
软交换体系涉及协议非常众多, 包括H.248、SCTP、ISUP、TUP、INAP、H.323、RADIUS、SNMP、SIP、M3UA、MGCP、BICC、PRI、BRI等。国际上, IETF、ITU-T、Soft Switch ORG等组织对软交换机及协议的研究工作一直起着积极的主导作用, 许多关键协议都已制定完成, 或趋于完成。这些协议将规范整个软交换的研发工作, 使产品从使用各厂家私有协议阶段进入使用业界共同标准协议阶段, 各家之间产品互通成为可能, 真正实现软交换产生的初衷———提供一个标准、开放的系统结构, 各网络不见可独立发展。
四、软交换技术的主要特点和功能
1. 软交换技术的主要特点。
(1) 支持各种不同的PSIN、ATM和IP协议等各种网络的可编程呼叫处理系统; (2) 可方便地运用在各种商用计算机和操作系统上; (3) 高效灵活性; (4) 开放性:通过一个开放的和灵活的号码簿接口便可以再利用IN (智能网) 业务。例如, 它提供一个具有接入带关系数据库管理系统、轻量级号码簿访问协议和事务能力应用部分号簿的号码簿潜入机制; (5) 为第三方开发者创建下一代业务提供开放的应用编程接口 (API) ; (6) 具有可编程的后营业室特性。例如:可编程的时间详细记录、详细呼叫时间写道一个业务提供者的收集事件装 (下转第6页) (上接第56页) 置中; (7) 具有先进的基于策略服务器的管理所有软件组件的特性。包括展露给所有组件的简单网络管理协议接口、策略描述语言和一个编写及执行客户策略的系统。
2. 软交换多种逻辑功能实体的结合。
它提供综合业务的呼叫控制、连接和部分业务功能, 是下一代电信网语音/数据/视频业务呼叫、控制、业务提供的核心设备。主要功能表现在以下几个方面: (1) 呼叫控制和处理为基本呼叫的建立、维持和释放提供控制功能; (2) 协议功能支持相应标准协议, 包括H248、SCTP、H.323、SNMP、SIP等; (3) 业务提供功能可提供各种通用的或个性化的业务; (4) 业务交换功能; (5) 互通功能可提供各种网关实现与响应设备的互通; (6) 资源管理功能对系统中的各种资源进行集中管理, 如资源的分配、释放和控制; (7) 计费功能根据运营需求将话单传送至计费中心; (8) 认真授权功能可进行认证与授权, 防止非法用户或设备接入; (9) 地址解析功能和语音处理功能。
五、基于软交换的应用
随着通信网络技术的不断发展和软交换各种标准的制定与补充, 不少厂家都推出了软交换的解决方案, 各运营商也在积极进行相关试验。目前, 国内许多电信设备制造商, 如西门子、阿尔卡特、爱立信、北电、中兴等都在积极发展新的交换机过渡平台, 提出了软交换在下一代网络中的解决方案。这里简要介绍以下软交换在VOIP中的应用。它的功能非常类似于现行电路交换传送系统间的交换/长途网, C4交换机用软交换系统和一组中继网关的组合体所取代。中继网关自身是由软交换技术利用主/被叫协议控制, 这个协议就是与来自某个具有指定源/目的的RTP UDP/IP流的电路交换机的一个制定时隙相关的MGCP/IPDC协议。
软交换技术作为呼叫出力的组成部分, 其表示要被用来终结该呼叫的最有可能的出口网关, 并利用这个信息来命令中继网关执行所指定的功能, 亦即软交换技术能够通过选择一个最小代价的路由来完成每次呼叫, 已使所选择的出口网关最接近目的电话。于是, 就完成了原有通过电路交换网执行的呼叫操作功能。接入网关既可以中介ISDN的PRI, 也可以终结来自企业PBX的CAS信令。这种接入网关能够被软交换以基于分组电话协议的多种方式进行控制;对于基于H.323协议的网关, 软交换能够像一个H.323网关那样动作;如果接入网关隧道PRI (Q>931或CAS信令返回到软交换, 那么软交换还能够使用像MGCP/IPDC协议以更好的方式控制介入网关。这也体现了软交换技术处理接入网关的能力。
软交换技术通过SIP协议街道电缆网络上, 以支持企业的IP PBX及IP电话。它还能够通过TCP/IP协议介入SCP, 也可通过TCP/SCCP协议接入到SS&网络上, 使无缝互联成为可能。
综上所述, 软交换具有很大的发展潜力, 目前仍处于发展的起步阶段。以软交换为核心的通信系统将会提供业务开放能力, 符合三网合一的发展趋势, 提供企业所需要的语音、数据、视频业务和多媒体融合业务, 满足通信个性化、移动化和随时随地获取信息的发展目标, 可以作为企业发展提供新一代的通讯平台。
VoIP语音评价模型分析 篇2
基于IP的语音通信(VoIP)是在IP网上通过传输控制协议(TCP)/IP协议实时传送语音信息的技术,这种方式提供了低成本、高灵活性和高效率的应用环境。由于网络只提供尽力而为的服务,语音的质量问题就凸显出来,受到了越来越多的关注。在目前的网络条件下得到满意的通话质量是我们首要考虑的问题。通过研究语音质量的评价模型来达到对VoIP语音质量的监控,并使之能够保持一定的服务水平,是很有必要的。
1 主观评价
主观评价方法的依据是ITU-T P.800( 传输质量的主观评价方法),主观评价是一种以人为主体的评价方法,它利用人主观感觉的满意度以可懂度为原则给听到的语音打分,并通过得分情况来评价端到端的语音质量。主观评价试验需要参加的人数众多,准备和执行费时费力,但可以准确测量用户感知。通过对众多评价数据进行收集、统计,最后得到一个统计结果(每一次主观评价试验的结果可能不同)——平均鉴定评分(MOS)。平均主观值MOS是被业界广泛认同的语音质量标准,因此,无论采用何种方法,其测量结果都必须对应到最终的MOS。用户满意度与MOS的对应关系如表1所示。
2 客观评价模型
与主观评价不同的另一种评价方法是客观评价(在测试条件没有变化的情况下能够得到相同的评价分数),它是根据声学特性及人的心理声学模型归纳出客观评价指标,通过测量终端和网络的特征参数,给出语音质量的评价。任何客观评价方法都是以主观评价为基础的。
2.1 感知评估通话质量(PESQ)的测量
PESQ是基于样本的评估方法。该方法是在语音网络上发起一个测试呼叫来通知通话对端开始记录整个通话过程,随着样本语音信号在通话连接上的传输,对端在记录过程中持续与原始样本信号比对,以便检测传输系统和编解码器引入的失真。
2.2 E模型(E-Model)
E模型的前提是假设语音质量损伤因素总是物理附加的。R值是E模型的最终结果,被称为全面的网络传输等级要素,取值范围为0～100。R的计算从R=R0(R0是无网络延时和设备损伤因素的基本信号与收发噪声以及电流、背景噪声之比,即基本信噪比)即没有网络和设备的损伤影响开始,此时语音质量是最好的,但是因为网络和设备损伤因素的存在,降低了通过网络的语音质量。R值的计算公式如下:R=R0-Is-Id-Ie+A,式中,Is为语音信号传输同步的损伤,Id为语音信号传输延时后的损伤,Ie为设备引入的损伤(例如编码器损伤),A为优势因素,致力于考虑呼叫者的期望因素,在部分情况下,一般设置为0。由公式可知,R的计算是首先估计一个连接的信噪比(R0),然后从中减去网络损伤(Is、Id和Ie),最后再用呼叫者对语音质量的期望(A)进行补偿。实际应用中,基本公式中的每一个输入R0、Is、Id和Ie都需要考虑各种各样的实际网络损伤因素,通过非常复杂的数学计算而得到。
3 评价模型的比较
PESQ能够考虑到语音从编码、传输到解码的全过程,因此在VoIP语音评估中得到了广泛应用。但由于网络中损伤的不确定性及信号复杂性的存在,使得这种计算密集型的评测方法不适合实时性的VoIP质量监控。它的缺点在于,测量不是基于数据网络的,而是从收发信号差异的角度分析网络语音问题,不能反映诸如延时、抖动和丢包等数据网络特有的问题,并没有考虑网络故障对用户感知造成的影响。
E模型在VoIP中获得了广泛应用的同时,还存在以下缺点:(1) 对于大数量的可能输入参数的组合情况未经过足够的界内验证和充分的实验室测量;(2) 其前提是假设语音质量损伤因素独立且总是物理附加的,但研究表明这种假设的可靠性在某些情况下存在疑问;(3) 它是建立在300～3 400 Hz电话语音带宽的基础上的,因此不能准确地用于宽带语音的质量评定,所以扩展E模型的使用范围非常必要。
4 主客观模型对语音质量评价的结果
以下是使用一款语音设备在局域网环境下分别进行主观评价和客观评价得到的结果。该款语音设备所采用的语音编码协议如图中所列。其中,agam1和agam2代表两种不同的网络环境;01和02代表两种不同的语音样本(随机抽取);m代表男性,f代表女性。
图1所示为主观评价的结果,图2所示为PESQ模型的评价结果。不同语音编码的速率不同或不同速率的相同编码,压缩率不同,占用网络带宽不同,因此语音质量也不同。从图中可以看出,相同的编码在相同的网络环境下不同样本信号的语音质量不同,不同的编码相同的网络环境相同的样本信号的语音质量也不同。主观评价的这种差异性较小,是由于人耳对某些差异无法感受到。
5 客观模型对语音质量评价的结果
对比E模型与PESQ,在同等丢包的情况下,两种算法对语音质量的评分如图3所示。实验条件:声音来源于中英文广播节目两男两女的对话,G.711、G.723和G.729采用静音取代丢包隐藏模式仿真。
如图3所示,语音质量随丢包增加而下降。从图中可以看出这两种评价模式在相同的编码方式下得出的结果比较接近。同时,采用G.711编码时语音质量受丢包的影响最小,并且对应表1可以看出语音质量能满足用户要求。
6 结束语
通过比较以上两组结果可以看出,仅实现语音通信时,采用主观评价就可以实现对语音质量的评估。但是,通常市场的需求是在实现语音通信的同时还要实现数据业务的通信,而费时费力的主观评价下的语音质量并不能满足要求,这时就必须采用更合理、更准确的客观评价模型。
摘要：文章介绍了基于IP的语音通信(VoIP)中语音质量的评价方法。通过研究语音质量的评价方法来达到对VoIP语音质量的监控,并使之能够保持一定的服务水平是很有必要的。文章还分析了主观评价模型与客观评价模型的实现原理,最后给出了主观评价模型与客观评价模型试验的量化比较结果以及不同客观评价模型试验的量化比较结果。
关键词：基于IP的语音通信,语音质量,感知评估通话质量,E模型
参考文献
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VoIP语音交换机 篇3
康特针对未来网络发展的特点, 成功设计了VoIP系统, 使运营商在开展数据业务的同时, 可充分利用EPON+EoC高速数据通道, 开展互联网电话业务。图1为应用该产品搭建的三网融合语音业务系统结构图。
VoIP语音产品的构成部分:
●内置VoIP语音模块的EoC终端
该产品可提供3个以太网口及1个RJ11语音接口, 用户可将普通电话机连接至该语音接口实现通话功能, 连接如图2所示。
●外置式VoIP语音单元
该产品可以配合EoC终端等数据终端, 使普通电话机通过数据网络实现通话功能, 如图3所示。
●语音交换系统
单台语音交换设备可支持100～2 000线语音电话互通, 可通逐步增加设备的方式进行扩容。
●综合业务管理系统
支持网络设备管理和话单计费、查询等功能, 并支持多业务扩展和标准接口对接等业务服务。
●语音网关产品 (公共交换电话网络网关)
单台设备支持1～8个E1/T1接口, 支持SIP和H.323协议, 支持PRI, 可升级到7号信令。
地址:成都市武侯科技园武科东三路9号
邮编:610045
电话:028-85362299, 85361199
E-mail:ktcatv@ktcatv.com
VoIP语音交换机 篇4
1 语音拨号方案设计
本案例中Vo IP电话网由分布在各地的10个路由器组成, 大部分路由器都利用FXS模块连接了4到8部模拟电话 (与程控交换机互联的路由器不连接模拟电话, 仅配置了E1语音模块) 。程控交换机所在的语音网络使用5位号码方案, 分配给Vo IP电话网的局号为559xx。因此, 按照每台路由器占用第1位号码, 每部电话占用第2位, 即可达到充分利用号码资源、简化路由器设置的目的, 又为未来电话终端扩充预留了余地。
因Vo IP电话网内电话业务量较多, 进行方案设计考虑三个方面的内容:Vo IP电话网内部通话时直接拨两位号码即可;拨打程控交换网时通过拨0再拨五位号码实现外部通话;Vo IP电话网部分电话设置为热线电话, 即一方拿起话机, 设定的另一部电话即可振铃, 实现热线功能。
2 Vo IP电话网的构建
Vo IP电话网典型设备的语音硬件配置如下表所示:
拓扑示意图如下:
Vo IP电话网的调试工作非常简单, 设置各路由器相应的语音配置, 以及12与22之间的热线电话设置。
3 实现与程控交换网的双向语音通讯
通过2M数字电路 (利用运营商或者租用卫星链路) , 基于一号信令与程控交换机实现语音双向通讯。中国1号信令为随路信令, 为30/32时隙2048K局间中继传输方式, Timeslot 16被用来传递其话音通道的信令, 记发器信令为MFC (多频互控) , 线路信令a, b, c, d为xx11。
首先, 在ZJ2851上配置E1卡, 使之与PBX能够互相识别并通讯。配置顺序如下:
通过show controller和show voice port命令可以确认线路和端口均被正确配置无误。
其次, 在ZJ2851上继续配置有关命令。最后, 在BJ2851、ZS3825、JS3825上分别设置以下命令:
当程控交换机的操作管理员也相应设置完毕后, 就可以开始双向语音测试了。
4 总结
VoIP语音交换机 篇5
语音信号在IP网络上的基本传输过程如图1所示:在发送端,话筒接收的原始语音为模拟语音信号,将该模拟信号通过三个步骤,即采样、量化、编码转换成脉冲编码调制(PCM)信号,此时信号已经是数字信号,然后根据通信场景对该数字信号采用适当的编码技术进行语音压缩,以节省传输带宽,压缩后的语音数据根据通信的三种协议:即实时传输协议、用户数据报协议(UDP,user datagram protoco1)和网际协议(IP)分组,将数据形成IP包的形式,然后将形成的IP包放到IP网络上进行传输;在接收端,通过网络接口将接收到的语音数据包进行和发送端相反的操作过程,恢复成模拟语音信号,经听筒播放,完成Vo IP通话。
由于IP是针对数据传输而设计的,对时延不敏感,因此为了使数据准确到达接收端可以以时延为代价,采用传输控制协议(TCP)。该协议由于采用了确认机制,必要时可以要求重发数据,所以能够确保传输数据在传递过程中不出差错、不丢包、有序地到达接收端,但这一过程就带来了时延。传输控制协议用于数据传输能够达到很好的效果,但是却不适用于语音传输,因为用户对时延非常敏感,时延过长会影响双方的用户感受,使谈话无法继续,所以为了满足语音传输的实时性要求,在Vo IP中不继续使用传输控制协议,而是采用用户数据报协议(UDP),该协议可以快速地、一次性地传输语音数据。但是,用户数据报协议相对于传输控制协议来说,它只保证数据包的传输满足实时性,但并不保证所有数据包都能有序并且全部到达接收端,可能会出现因为网络问题而造成数据包丢失的状况,当丢包达到一定程度时,同样会影响通话双方的正常交流。
根据统计[1],当丢包率超过10%时,语音通信质量就已经不能忍受,这就是目前Vol P还不能完全取代传统电话的主要原因。为此,如何抵抗丢包和当丢包现象发生时如何进行处理成为当前Vol P网络语音通信中研究的核心问题。
1 丢包处理技术
目前,针对Vo IP网络问题产生的丢包现象,主要有两种思路:一种是尽量避免丢包,即在源头对丢包进行控制,称为丢包恢复技术(PLR,packet loss recovery),通常是基于发送端采用的措施;另一种是减少丢包后造成的影响,即在接收端通过采取一定的措施对丢包进行隐藏,称为丢包隐藏技术(PLC,packet loss concealment),主要用于接收端。丢包恢复技术付出的代价是时延和带宽,丢包隐藏技术则是用户感受,两种方法各有特点,但都在一定程度上提高了语音质量。而本文主要分析的是采用交织技术和插值技术的方法,是对丢包恢复技术和丢包隐藏技术两种语音丢包处理思路的综合,在性能上突出了两者各自的优点,而又很好的限制了两者的不足,进一步提升了语音的质量和用户的感受。
1.1 交织技术
严格来说,交织技术并不算典型的丢包恢复技术,因为它并没有恢复已经丢失的包,但是通过交织后的数据,连续的突发性丢包变成了随机的零散丢包,加上人耳的掩蔽特性,其恢复效果还是可接受的[2]。所以,从这个意义上说,交织技术也可作为丢包恢复技术。如图2,展示了每个IP包包含4个单元的语音的交织方式。
其工作原理为:在发送前,把原始语音数据分成若干个比IP包还小的单元,然后通过预先设置的某种规则重新排列这些单元的顺序,使得每个IP包中的数据不再是来自于同一个包中,而是来自于不同的语音帧,当发生丢包现象时,虽然丢失的还是完整的IP包,但并没有丢失原始语音中这个IP包的全部数据,而仅仅只是不同IP包中的一些比特,最后在接收端再将这些单元通过设置的规则的逆过程恢复到原来的顺序。这样,本来丢失的一个完整语音包的数据,就被分散在了不同的包中,虽然丢失的数据在总量上保持不变,但是人耳的掩蔽特性能够自动修复丢失的少量数据。因此当每帧只丢失少量的数据时,对听者产生的影响很小,从而提高语音的质量和用户感受。
1.2 插值技术
插值技术是指在丢包处引用其相似的波形进行填充,这种技术要用到丢包周围的包对丢失的包进行估计,然后通过估计结果用最相似的波形对丢失波形进行替代,最终带来语音质量的提升,属于丢包隐藏技术的一种[3,4]。本文用到的插值技术的原理基于最小二乘法,即构造一个插值法P(x)来逼近真实函数f(x),当误差和最小时,此时的P(x)对于f(x)来说,误差最小,精度最高。要使最小,可以对P(x)中的系数求偏导获得[5],不再累述。
2 具体实施
本文所描述的基于交织和插值技术的丢包补偿方法步骤如下:
1)判断是否发生丢包,没有丢包,则跳出该程序,等待下一次调用;如有丢包,则计算丢包个数N。通过下式计算
其中,T代表发送端发送相邻两个语音包的间隔时间,t代表接收端实际收到相邻两个语音包的时间间隔[6]。
2)交织技术处理,将本来连续丢失的IP包数据分散到不同的包中。
3)插值技术处理,将连续丢失N个包的前N个包和后N个包作为样本进行丢包恢复。
4)丢包补偿,将恢复的数据插入到丢包的位置。
其流程图如图3所示。
3 实验结果及结论
本文利用MATLAB进行仿真验证,仿真结果如图4所示,图(a)是正常传输的语音信号波形图;图(b)是未经过交织发生语音信号丢包的波形图,和图(a)比较,可以看出发生丢包的位置所包含的语音段变化复杂,所经历时间较长,不容易进行插值且不符合语音短时平稳性的假设;图(c)是经过交织后接收端收到的语音信号丢包的波形图,和图(b)比较,最大的不同就是将丢包分散在不同的语音帧中,这时丢失数据较少,符合语音短时平稳性的假设;图(d)是采用本文丢包补偿方法恢复出语音信号波形。和图(a)对比可以看出,发生丢包的语音信号位置,经过本方法恢复后,很好的保持了原有波形的特征。尽管幅度有些许改变,但是相位没有明显变化,加上人耳的掩蔽特性,恢复效果还是不错。
通过以上事实,可以说明采用本文描述的语音丢包补偿方法,可以很好的恢复丢包语音信号的波形,提高接收语音的质量。经过恢复后的语音信号与源信号相比,没有明显在幅度和相位上的误差,用户基本感觉不到其中的微小差别。并且该方法实现简单,没有增加额外带宽等影响性能的因素,是非常适合在对时延敏感的系统中使用的。
参考文献
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VoIP语音交换机 篇6
VoIP是基于Internet的新型数字化传输技术,是IP网上通过TCP/IP协议实现的一种电话应用技术。这种应用包括PC对PC、PC对电话、电话对电话等连接方式,其业务主要包括语音业务、E-mail、实时电话、实时传真等多种形式。与传统电话相比,IP电话的优点主要是节省带宽、通话费用低、易于开发增值业务、体系结构开放,有利于多种通信方式的统一。对VoIP技术的研究主要围绕改善IP电话服务质量来进行,尤其是使用先进的硬件技术、可靠的实时传输技术和能随着网络状况自适应调整速率的低速率语音编码技术等研究及工程热点。
研究与实现基于嵌入式处理器的Vo IP语音传输系统,可集成嵌入式系统、网络通讯、多媒体和语音处理等应用领域内的前沿技术,将嵌入式系统的高性能、低功耗、网络通讯的低成本特性融合于一体,经过进一步完善后可以取代固定电话,并发展可视电话等信息终端,可以实现电话网、广播电视网与Internet网的整合,具有很大的经济和技术优势。
1 PXA255嵌入式处理器
本文研究与设计的嵌入式IP数字语音系统将在以太网环境中工作。与目前大多数基于PC的IP电话终端相比,选择嵌入式IP电话终端具有如下优势:
(1)嵌入式硬件平台可以进行裁减和定制,因而可以大幅降低IP电话终端成本;
(2)可以定制嵌入式软件平台,容易升级,实时性好,而基于PC机的IP电话占用资源多,操作系统复杂,容易死机;
(3)嵌入式IP电话终端功耗低,可以使用电池进行供电,因而系统具有小型化、便携的特点,这是PC所无法比拟的。
PXA255处理器是Intel公司带ARM核的多媒体处理器。PXA255处理器的内部功能模块框图见图1所示。
PXA255处理器具有如下特色:核心频率支持100~400MHz;多种系统存储器接口;外设资源非常丰富:有PCMCIA/Compact Flash卡控制引脚、LCD控制器、全功能UART、USB客户端、AC97控制器、15个灵活的GPIO引脚等。
2 VoIP的嵌入式Linux环境构建
嵌入式IP语音终端使用的嵌入式Linux平台可分为三个层次:应用软件层次、Linux内核层次和设备驱动层次。其中平台无关部分包括:Linux实时内核、文件系统、应用软件等部分;平台相关部分包括:硬件驱动的改造和启动过程改造,我们需要针对不同平台进行代码改造,编写各种驱动。由图2可知,Linux对各种设备的操作都是以文件的形式进行的。
基于RTP协议的语音实时网络传输软件,位于Linux网络结构的Socket应用层,如图3所示。在嵌入式Linux平台上利用Socket系统函数实现语音传输的RTP应用。在具体编程时,Linux平台上可供选用的语言有C、C++等。在这里我们也采用C语言,并采用编译器Arm-Linux-Gcc。语音处理的音频库函数使用OSS(Open Sound System)。
嵌入式IP终端系统软件界面采用QT/Embed编程。利用qte的界面编程辅助工具QT Designer能很方便地实现界面规划布局。由于是可视化编程,能很好地控制界面布局、效果,操作方便。QT Designer生成的界面文件是以XML语言编写的.ui文件,通过QT附带的工具UIC,能让*.ui文件生成*.h和*.cpp的文件格式。使用QT Designer大大降低了编程的工作量,并且能得到所见即所得的图形效果。
3 语音编解码器选型
对语音信号,有许多压缩算法和标准。这些编码算法可按照编码系统码率大小、输入信号频带宽度、所采用的编码技术等方面进行分类。编码系统优劣的评价主要体现在编解码系统的性能指标上,一个编解码器系统有输出声音的质量、编码速率、复杂度、迟延和容错性等性能指标。
(1)编码速率。编码速率指的是编码器对输入声音经过压缩后每秒的比特数,即压缩后的传码率。这是编码系统的一个十分重要的指标。降低比特率而维持较高的解码声音质量,是语音和音频信号压缩编码的主要任务和主要目标。对电话级别的语音带宽而言,通常认为比特率超过16kb/s的为高速编码,而速率在8~16kb/s范围的为中速率编码,速率在8kb/s以下的为低速率编码。
(2)输出声音的质量。输出声音的质量是指经过编码系统再经过接收方的解码后恢复出的声音质量。衡量输出声音质量主要有二个指标:客观质量和主观质量。客观质量法易测量,但往往不能精确反映语音质量。由于声音的最终接收者是人,所以主观法更能反映声音质量的真正好坏,但它测试不易,费时费力。
(3)复杂度。在传统电话应用中,很少使用压缩,是因为压缩算法的复杂度太大,算法执行时间长,算法的延迟也一起带入到通信系统中。随着技术的进步,芯片处理速度越来越快。现在工程上一般采用单片数字信号处理器DSP芯片来实时实现语音编解码。语音编解码算法的复杂度可由算法所需的计算量、存储量、硬件尺寸、消耗功率及价格来衡量。
(4)时延。时延指完成编解码算法所需的时间。对于语音编解码器来说,时延也是一个非常重要的指标,如果时延太大,听起来很不舒服。对于时延,不同的应用场合有不同规定,如对长话网不加回波抑制的单向编解码时延不得大于10ms。对可视电话则放松到不超过500ms。对VOIP语音系统的时延要求不超过300ms。
(5)容错能力或鲁棒性。容错能力指编解码系统抗误差、线路噪声等各种干扰的能力。
表1对几种编码器的比特率、主观平均意见分法(MOS)、复杂度(以G.711为基准)和时延(帧大小)做了比较。
本系统选用GSM 06.10语音标准算法,该算法在1988年被确定为数字移动通信的语音编码标准,其编码速率为13kb/s,算法简单,运算量小,语音质量高,接近32kb/s的ADPCM(ITU-G.712)。
4 IP语音实时传输系统设计
本文采用Intel公司推出的PXA255处理器,该芯片专用于网络和多媒体。其最高工作频率可达400MHz,并带内存管理单元MMU和DSP协处理器,可方便与高清晰的彩色LCD接口,同时该芯片可扩展连接AC97音频芯片CS4201、高性能网络接口芯片LANC9196,可方便移植嵌入式Linux和图形界面等。
基于PXA255处理器的IP语音系统用方案具有如下优势:将先进的硬件技术和软件技术有机融合,充分利用PXA255和Linux的强大功能,克服了传统的基于单片机功能不足和基于PC的非实时性的缺点,具有实时性、低成本、小型化、专用化和高可靠性的优点,能让IP数字语音终端系统具有更好的可扩展性和可移植性,与ARM7或DSP的方案相比,在技术上同样具有一定优越性。
系统设计硬件框图见图4所示。
系统设计语音流程框图见图5。
5 系统测试
将两个语音终端连接到局域网,分别设置其IP地址为192.168.0.100、192.168.0.101。整个软件的运行过程:在语音传输之前,首先由网络连接(通话双方的呼叫连接)模块进行呼叫连接,呼叫连接建立后,双方就可以进行接下来的语音通话,实现语音传输。
在送话方即发起会话的一方:语音首先通过麦克风进入系统,在语音录入与播放功能模块内进行录音,然后进入语音数据压缩、解压模块进行压缩,压缩后的语音数据打包后,以语音数据包的方式发送。
在受话方即接收会话的一方:通过网络传输过来的语音数据拆包后,首先进入语音数据缓存模块进行缓存,这种缓存方式可以保证语音回放连续和不失真,然后进入语音数据压缩与解压模块对其进行解压。经过语音解压缩过程以后,语音数据送入语音录入与播放功能模块内,通过扬声器进行播放,最终还原成语音。
测试过程中,我们使用RTP工具集rtptools-1.18中的rtpplay、rtpdump、rtpsend等命令截取语音实时传输模块在网络中的语音包,观察其RTP和RTCP报文,分析网络的当前状况等。网络的当前状况与语音传输延迟有很强的正相关性。网络状况好,传输延迟小,网络状况不好,传输延迟增大。
语音延时测试方法:因为语音传输的延迟时间在1s以内,用秒表或其他外设来测量,误差大、精度不高,所以我们基于软件的方式测量。通过在RTP工具集中设置一个计时器,计算时间差,记录端到端的语音延时。最后求平均值,延时数据见表2。测试分8组,每组10到40个延迟数据不等,表中数据为每组的延迟平均值。
8组的所有测试数据有210个,所有测试数据的平均延时计算过程:
由计算可知,平均延时约为272ms。满足本文第三节中VoIP语音时延的上限300ms的要求。
6小结
论文研究了IP语音传输系统的总体架构,实现了一个基于PXA255处理器的嵌入式IP电话终端硬件平台,为该平台建立了一个优化的嵌入式Linux环境,并研究基于GSM 06.10的语音编解码实现,设计了一个IP语音实时传输系统,实现了IP语音的网络实时传输功能,通过系统测试,语音时延符合工程要求,具有较好的实时性。
摘要：文章研究IP语音传输系统的总体架构,实现了一个基于PXA255处理器的嵌入式IP电话终端硬件平台,为该平台建立了一个优化的嵌入式Linux环境,并研究基于GSM 06.10语音编解码实现,设计了一个IP语音实时传输系统,实现了IP语音的网络实时传输功能。
关键词：语音压缩,网络电话,嵌入式Linux,实时传输
参考文献
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VoIP语音交换机 篇7
ATM (Asynchronous Transfer Mode) ———异步传输模式, 是建立在电路交换和分组交换的基础上的一种新的交换技术, 是实现B-ISDN业务的核心技术之一, 而基于ATM的VTOA (Voice Telephony over ATM) 技术已成为研究热点。利用OPNET对VTOA技术进行模拟仿真, 如图1所示, 仿真参数配置如下:交换机均为ATM交换机, 话音采用G.711/PCM编码, link均为DS1链路, 网络运用AAL1—CBR服务模式。
二、VOIP技术
Vo IP (Voice over Internet Protocol) 就是将语音数字化, 以数据包的形式在互联网上实时传递语音, 提供比传统业务更多、更好的服务。利用OPNET提供的IP phone组件对VOIP技术进行模拟仿真, 如图3所示, 仿真参数配置如下:话音采用G.711/PCM编码, link均为DS1链路采用, 网络未利用任何IP Qo S机制。
由图2和图4仿真结果可看出, 在不采取任何Qo S机制的条件下, 无论大小还是稳定性, VOIP在端到端时延、时延抖动、丢包率方面的性能都没有VTOA好。
三、VTOA与VOIP的比较
(一) 成熟性。目前, 随着Internet用户数量的急剧上升, IP电话业务得到广泛发展;而VTOA技术相对而言发展比较缓慢, 其网络覆盖范围比较小。ATM技术之所以得不到大规模应用, 主要原因是信元首部开销太大, 技术复杂且价格昂贵。
(二) 效率。IP语音技术是利用RTP、UDP、IP进行语音包传送的, 利用这种传送机制导致只能对同一个话路的语音流打包传送, IP包的包头为20字节;VTOA技术由于在一个ATM信元里可以包含多路话音信息, ATM信元包头为5字节。因此相比较而言, VOIP的开销较大, 从这一角度来讲, VTOA的效率将大于VOIP, 但是随着码速率的逐渐提升, IP语音的效率优势将变得明显。
(三) 服务质量。ATM是一种面向连接的技术, 拥有完善的流量管理机制, 可保证业务流的Qo S。在面向连接中, 由于建立连接时网络已经为该连接分配了一个逻辑号, 因此在通信过程中就用逻辑号代替真实地址, 其适用于实时业务;而IP网络是一个面向无连接的网络, 通信时只能用真实地址, 两个端点间传送的数据可以走不同的路径, 适于传递数据业务, 如果传递语音业务, 则实时性达不到要求, 存在一定的问题。由前面仿真可以看出, 在不采取任何Qo S机制的条件下, VOIP在端到端时延、时延抖动方面的性能没有VTOA好。
朗讯公司研究报告称, 当综合网络中主要是话音业务时, 使用ATM组建网络的成本比使用IP网络的成本低, 而当数据业务量的比例大大超过话音业务量时, 使用IP网络的成本将远远优于ATM网络。综上, 两种分组语音技术各有千秋, 实际应用时应根据情况考虑。
参考文献
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