??? 摘? 要: 介紹了VoIP語音卡在路由器中的應用，詳細描述了一款應用于路由器的語音卡的硬件結構" title="硬件結構">硬件結構及其工作方式。
??? 關鍵詞: VoIP PCI FXS? 路由器? 語音壓縮
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1 VoIP在路由器中的應用
近年來，VoIP(Voice over Internet Protocol)給通信市場帶來了強大的沖擊。IP語音業務推出后，由于其在通話費用上比傳統電話具有突出的優勢，因而受到了廣泛歡迎。VoIP技術在路由器中應用，可以大大節省有多個部門在不同地方辦公的企業或機構的電話費用。圖1為一個VoIP路由器在公安分局與派出所間應用的方案。
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派出所網點的路由器DCR-2501V和DCR-2509V使用FR(幀中繼)或DDN線路同分局的DCR-3660實現互連，各網點的計算機可通過路由器連接分局的局域網或Internet，實現數據通信；同時，DCR-2501V或DCR-2509V通過FXS語音端口連接普通電話機，分局路由器通過E&M接口和PBX連接，這樣既可以實現內部各部門間的數據通信，同時還可進行零費用的語音通話。
VoIP在費用上呈現巨大優勢的原因在于其利用了計算機通訊的分組化、數字化傳輸技術，先對語音數據按照一定的語音壓縮標準進行壓縮編碼處理，然后把這些數據按IP相關協議打包，再將數據包通過IP網絡傳輸到接收端，接收端將這些以不同順序到達的數據包按其本身順序串起來，并經過解碼解壓恢復出原來的語音信號" title="語音信號">語音信號。與傳統的語音業務相比，VoIP在時間延遲、話音質量等方面存在缺陷。可以采用一些先進的協議如資源預留協議(RSVP)和不同類型服務(Diffserv)等方案來盡可能的優化語音數據包的傳輸，以減少傳輸延遲和擁塞。
目前，VoIP的標準主要有國際電信聯盟技術部(ITU-T)建議的H.323系統和IETF建議的會話發起協議(Session Initiation Protocol，SIP)系統兩種。前者主要在電信網絡上實現多媒體業務制訂，技術已趨成熟。后者基于動態的Internet模式建網，是基于軟交換技術的面向網絡會議和電話的簡單信令協議。在我國，主要選用H.323技術標準來實現VoIP，在H.323系列標準中，音頻壓縮編碼標準有G.711、G.722、G.723和G729等。
本文將介紹一種已經應用于路由器產品中的VoIP語音卡的硬件設計和工作原理。
2 VoIP語音卡硬件結構
該語音卡基于AudioCodes公司的VoPP(Voice Over Packet Processor，即語音包處理器)AC48302設計，采用PCI接口界面，可提供兩個FXS(Foreign Exchange Station)語音/傳真接口，可以方便靈活地應用于本公司開發的系列路由器中，實現VoIP功能。其硬件結構框圖如圖2所示，以下介紹各部分硬件的原理和作用。
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2.1 PCI接口
路由器主板與語音卡之間通過PCI總線連接，便于通用。采用了PCI接口芯片" title="接口芯片">接口芯片PLX9030實現語音卡本地總線(HPI)與PCI總線之間的轉換。由于語音卡上數據流量不大，不需要利用如DMA方式主動向路由器主板上的Memory空間傳遞數據。因此，語音卡工作于PCI的從模式方式，AC48302通過中斷方式接收或發送語音數據，PCI總線的數據寬度和速度為32位/33MHz。
2.2 CPLD部分
AC48302采用8位并行的主處理器接口HPI與外部CPU(即路由器CPU)進行數據交換。在本設計中，HPI接口與PLX9030的本地總線接口時序稍有差別，經過CPLD進行調整。另外，路由器CPU還可通過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、低價格的雙通道語音包處理器，其內部集成了一個DSP內核。該芯片的主要特性如下:
·支持兩個通道的語音壓縮編碼，語音壓縮標準包括G.729A、G.723.1、G.727、G.726、G.711。
·兼容T.38或FRF.11傳真中繼(2.4～14.4kbps)。
·呼叫ID產生和檢測，呼叫進程和用戶定義語音的檢測和產生。
·兼容G.168的25ms回聲消除。
·高性能的有效語音檢測(VAD)和舒適噪聲產生(CNG)。
·DTMF檢測和產生。
·A律/μ律可選的Codec接口，具有輸入輸出增益控制。
·PCM Highway接口。
·并行的主處理器接口(HPI)。
AC48302各部分硬件接口如圖3所示。
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2.3.1 語音接口(Voice Interface)
語音接口提供未壓縮的語音、傳真數據的輸入輸出通道。語音接口對外提供四根信號線構成PCM總線，直接連接外部CODEC芯片的PCM Highway。這四根信號線為PCMIN、PCMOUT、PCMCLK、PCMFS。PCMIN輸入從CODEC送來的PCM信號，AC48302內部的DSP按照相應標準(如G.729)壓縮后從HPI口交給路由器CPU轉發。PCMOUT則相反，AC48302將路由器CPU送來的語音數據按照合適的標準解壓縮，然后從PCMOUT口送到外部CODEC，CODEC經過數/模轉換后恢復成語音信號?熏通過用戶接口送給用戶端。PCMCLK提供2.048MHz的比特同步時鐘，而PCMFS提供8kHz的幀同步" title="幀同步">幀同步時鐘。
2.3.2 HPI接口
在本設計中，路由器CPU與AC48302通過HPI口進行通信。路由器CPU和DSP通過AC48302的片內共享的雙口存儲器實現數據交互。片內共享存儲器的映射關系見圖4。
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HPI接口包括1根8位數據總線和幾根控制總線。路由器CPU通過三個寄存器(HPIC、HPIA和HPID)控制AC48302及訪問片內存儲空間。HPIC為控制寄存器，用來選擇AC48302的高低字節順序、產生和接收中斷。HPIA為地址寄存器，用來尋址片內的2K存儲空間。HPID為數據寄存器，用來緩存每次讀寫的兩個字節數據，外部CPU可以單個Word或塊數據方式訪問HPID，當以塊數據方式訪問時，HPIA寄存器自動累加，這樣可以減少外部CPU寫HPIA寄存器的開銷。AC48302的內部寄存器和存儲器為16位寬度，因此外部CPU每次訪問AC48302必須以兩個字節為基本單位，信號線HI/LO用來選擇高低字節，信號HRS1、HRS0指示當前訪問的是哪個寄存器。
除了以上兩個重要的接口外，AC48302內部還包含一個PCM時鐘發生器、一個用于測試的JTAG接口以及一個用于訪問外部SRAM及處理信道輔助信令的Memory&I/O接口。
2.4 CODEC接口芯片
CODEC芯片負責對DSP解壓縮后送來的PCM數據進行解碼，并將濾波后的模擬語音信號送到用戶線接口芯片SLIC，SLIC對其進行2-4線轉換后送給用戶端;同時，CODEC還負責將SLIC送來的模擬語音信號進行PCM編碼，然后送到DSP芯片進行壓縮處理。
本設計中，CODEC芯片采用IDT公司的4通道PCM編解碼芯片IDT821034。該芯片具有可編程增益設置、主時鐘可選(2.048MHz、4.096MHz和8.192MHz)、最大可支持128個可編程時隙" title="時隙">時隙、A律/μ律可選、內置數字濾波器、串行控制接口、低功耗等特點。本設計中選用主時鐘為2.048MHz(E1幀模式)，可劃分為32個相等的時隙(Slot0～Slot31)，4個通道的接收和發送時隙可通過向串行控制口寫入控制字進行動態選擇。各時隙的位置都以8kHz的幀同步時鐘信號為參考，在IDT821034中，時隙0相對幀同步脈沖的位置有延遲模式和非延遲模式(圖6即為非延遲模式)。
PCM主時鐘(BCLK)、幀同步時鐘(FS)、接收數據(DR)和發送數據(DX)一起構成PCM Highway信號，與AC48302進行連接。BCLK與FS分別對應AC48302的PCMCLK和PCMFS，這兩個時鐘信號都由AC48302 產生;DR和DX分別對應AC48302的PCMOUT和PCMIN。PCM Highway信號時序以及時隙與幀同步信號的關系分別如圖5、圖6所示。為了CODEC與DSP芯片間正確收發數據，一般選擇CODEC芯片在BCLK的上升沿發送數據DX，下降沿采樣數據DR，而在另一端的AC48302，則在時鐘下降沿采樣PCMIN，上升沿發送PCMOUT。
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2.5 用戶線接口(SLIC)芯片
設計中為了使語音卡能夠提供FXS接口功能，采用了愛立信公司的新型SLIC芯片PBL83710連接用戶接口。在該芯片內部能夠產生高電壓鈴流信號及提供自動電池饋電切換，具有環流振鈴和地鍵檢測功能及2-4線轉換功能。該芯片將許多傳統的振鈴繼電器、鈴流發生器等器件集成在一個片內，節省了印制板空間和成本。
3 VoIP語音卡硬件驅動流程
硬件驅動程序主要完成以下功能:
(1)初始化PLX9030芯片，配置相關寄存器，選擇本地總線工作方式。
(2)初始化AC48302芯片，啟動AC48302內部的DSP內核到正常工作狀態。AC48302的啟動步驟按順序分為以下幾步:核代碼(Kernel)下載;程序代碼(Program)下載;初始化模式;啟動運行。
(3)驅動語音卡的正常操作。接收處理摘掛機中斷，將SLIC置于正確狀態;配置CODEC芯片的各通道收發數據時隙以及CODEC芯片的增益控制;接收處理AC48302數據包處理中斷，AC48302每處理完一個語音數據包就通過中斷方式通知路由器CPU讀取當前Buffer中的數據或向Buffer寫入下一個數據包。
本文采用的是FXS接口，只要對CODEC后面部分電路稍加改動即可實現FXO或E&M接口功能。目前，該語音卡方案在路由器產品中已獲廣泛采用。
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參考文獻
1 AC4830xC-C VoPP Voice Over Packet Process Data Book Version3.00.AudioCodes Inc, 2002
2 劉暉等譯.PCI 系統結構(第四版).北京:電子工業出版社, 2000
3 謝希仁.計算機網絡(第二版).北京:電子工業出版社, 1999