(Volee over Internet Protoc01)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。網(wǎng)關(guān)是VoIP網(wǎng)絡(luò)中的重要設(shè)備，按照應(yīng)用領(lǐng)域可分為電信級網(wǎng)關(guān)">
VoIP雙模網(wǎng)關(guān)的研究與系統(tǒng)設(shè)計
2008/11/03
近年來隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)和IP技術(shù)的日益發(fā)展，VoIP>(Volee over Internet Protoc01)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。網(wǎng)關(guān)是VoIP網(wǎng)絡(luò)中的重要設(shè)備，按照應(yīng)用領(lǐng)域可分為電信級網(wǎng)關(guān)和用戶端網(wǎng)關(guān)。用戶端網(wǎng)關(guān)設(shè)備主要應(yīng)用于小區(qū)和企業(yè)，是連接終端電話和IP網(wǎng)絡(luò)的橋梁，主要功能是進行語音編解碼、信令處理、VoIP協(xié)議處理和路由協(xié)議處理等。用戶端網(wǎng)關(guān)設(shè)備在VoIP網(wǎng)絡(luò)中的位置如圖1所示�？梢钥闯觯W(wǎng)關(guān)處于用戶電話線路部分的末端、IP網(wǎng)絡(luò)部分的起始端。
“雙�！笔侵竀oIP和PSTN兩種模式。雙模網(wǎng)關(guān)是一種同時連接PSTN網(wǎng)絡(luò)和VoIP網(wǎng)絡(luò)并能在兩者之間自動切換的用戶端網(wǎng)關(guān)設(shè)備。雙模網(wǎng)關(guān)可以使用
VoIP網(wǎng)絡(luò)節(jié)省大量通話成本，還可以在VoIP網(wǎng)絡(luò)不可用(斷電或路由不可達)時使用PSTN網(wǎng)絡(luò)保障電話線路永遠暢通，而且使用雙模網(wǎng)關(guān)不需要對
PBX交換機做任何改動，用戶還可以自由選擇或由網(wǎng)關(guān)自動選擇使用VoIP網(wǎng)絡(luò)還是PSTN網(wǎng)絡(luò)，具有很好的實用性和靈活性�！ �
1.VoIP雙模網(wǎng)關(guān)的工作原理
網(wǎng)關(guān)在VoIP網(wǎng)絡(luò)中主要起協(xié)議轉(zhuǎn)換、控制及關(guān)守作用，如呼叫控制和呼叫管理等。雙模網(wǎng)關(guān)在普通VoIP網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)上增加了VoIP與PSTN之間的切換。雙模網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)從功能上可分為雙模切換模塊、FXS接口電路模塊、語音處理模塊和軟件控制模塊，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。
外部交換站FXS(Fbreign eXchange Subscdber)接口和外部交換局FXO(Foreign eXchange
Office)接口是VoIP網(wǎng)關(guān)中非常重要的兩個接口。在傳統(tǒng)的PSTN電話連接中，電話中心局端交換機提供饋電和鈴流，電話本身完成Tip／Ring
電路來請求服務(wù)或者應(yīng)答PSTN上的呼叫。在VoIP電話連接中，F(xiàn)XS電路仿真了電話中心局端交換機的功能，提供饋電和鈴流并檢測環(huán)路電流。而FXO電路相當于仿真了電話機的功能，提供環(huán)路閉合和檢測鈴流�！ �
FXS接口電路直接與模擬話機連接，提供撥號音、饋電、鈴流電壓，并能夠檢測話機的摘掛機和環(huán)路閉合，完成模擬信號與數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換。FXS接口電路包括編解碼器CODEC和用戶線接口電路SLIC(Subscriber
Line Interface Circuit)。CODEC包括一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。SLIC電路仿真了PSTN電壓，它必須能夠檢測電話的摘掛機并能產(chǎn)生最高達120V的鈴流電壓。
雙模切換模塊主要包括FXO接口電路，它由CODEC和數(shù)據(jù)處理陣列DAA(Data Access Arrangement)組成。其中CODEC與FXS電路中的相同；DAA仿真了一部話機，通過提供PSTN的環(huán)路閉合來去除高壓直流分量，只讓
PSTN線上的模擬交流信號通過。網(wǎng)關(guān)中使用FXO接口電路可實現(xiàn)以下功能：
(1)斷電時線路保持暢通：當網(wǎng)關(guān)斷電不能連接VoIP網(wǎng)絡(luò)時，將線路切換到PSTN線路上。
(2)呼叫重定向：當VoIP網(wǎng)絡(luò)由于擁塞或者其他原因而不可用時，能夠?qū)⒕�路切換到PSTN上，而且能記住已撥號碼并進行自動重撥�！�
(3)遠端VoIP呼叫：VoIP用戶可以在其他地方通過PSTN撥入的方式進行VoIP呼叫，F(xiàn)XO接口先把PSTN上的電話撥號音(模擬信號)接收下來，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送出，相當于將撥號音從一個FXO擴展到多個本地FXS�！ �
網(wǎng)關(guān)的語音處理模塊負責對PCM數(shù)字語音信號進行壓縮與解壓縮。壓縮算法的標準包括G．711、G．723．1和G．729等，不同的算法壓縮比不一樣，占用的帶寬也不同。壓縮算法可以用硬件DSP實現(xiàn)，也可以用純軟件實現(xiàn)�！ �
軟件控制模塊實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的協(xié)議棧處理和路由處理等功能。協(xié)議棧負責將壓縮后的數(shù)據(jù)流進行封裝，加上IP協(xié)議包頭，形成可在VoIP網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。目前VoIP的協(xié)議棧主要基于H．323和SIP兩種標準。協(xié)議棧將數(shù)據(jù)流打成IP數(shù)據(jù)包后，選擇適當路由經(jīng)過以太網(wǎng)接口發(fā)送到VoIF網(wǎng)絡(luò)中。接收端網(wǎng)關(guān)接收到IP數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包解壓縮并將解壓縮后的PCM數(shù)字信號解碼，恢復(fù)原始語音信號。
2.VoIP雙模網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計
本節(jié)提出了一種基于H．323的雙模網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案支持4路話音，使用一種經(jīng)濟實用的“假FXO接口”方式實現(xiàn)雙模切換，能夠在VoIP通話時檢測到PSTN線上進來的呼叫并可通過按話機的拍簧或者Flash閃斷鍵切換接聽。
為了有效利用資源，系統(tǒng)使用三相轉(zhuǎn)接頭將電話線路與PSTN線路組合到一個RJ11接口上，每路話路使用一個三相轉(zhuǎn)接頭。三相轉(zhuǎn)接頭的連接方式如圖3所示。
三相轉(zhuǎn)接頭的使用可簡化雙模切換的實現(xiàn)，也減少了設(shè)備的物理端口數(shù)量�！ �
系統(tǒng)設(shè)計采用“硬件+ 嵌入式操作系統(tǒng)+應(yīng)用層軟件”的總體架構(gòu)。
2.1 硬件設(shè)計方案
系統(tǒng)的硬件部分主要包括雙模切換模塊、FXS接口電路、語音處理模塊電路、CPU模塊和以太網(wǎng)模塊，硬件設(shè)計原理圖如圖4所示。
雙模切換模塊使用了一種“假FXO接口”的方式。電路中用繼電器控制各話路本身的VoIP和PSTN通路之間的雙模切換。繼電器在網(wǎng)關(guān)沒有上電時默認將網(wǎng)關(guān)置于把話機線與PSTN線對接的狀態(tài)，上電工作后由1?a
target="_blank" class="keyword">FPGA可編程邏輯芯片來控制繼電器的切換。FPGA芯片是網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)智能切換的關(guān)鍵部件，其中實現(xiàn)的控制邏輯包括PSTN線路上的鈴流檢測、話機拍簧動作檢測等邏輯，并據(jù)此控制繼電器進行切換。FPGA與CPU的接口可實現(xiàn)在VoIP網(wǎng)絡(luò)路由不可達時切換到PSTN網(wǎng)絡(luò)的邏輯。雙模切換模塊實現(xiàn)了FXO接口的部分功能，但不是真正的FXO接口，所以稱之為“假FXO接口”�！ �
FXS接口電路模塊主要由SUC芯片和Codee芯片組成，分別選用Legerity公司的Le79R70芯片和Le58Q021芯片。Le58Q021
是4通道的Codec芯片，可以控制SLIC芯片(Le79R70)的工作狀態(tài)，選擇編碼方案(線性、a律、μ律)，還支持軟件可編程SLIC的輸入阻抗、平衡阻抗和頻率響應(yīng)特性等。系統(tǒng)使用1片Le58Q021和4片Le79R70協(xié)同工作支持4路話音，向話機提供饋電，產(chǎn)生振鈴信號、檢測話機摘掛機等，并負責完成電話模擬信號與PCM數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)換�！ �
語音處理DSP芯片選用AudioCodes公司的AC483，它能同時支持4通道語音編解碼器，支持G．729A、G．723．1、G．727、G．726、G．711等壓縮算法標準，可完成實時的語音壓縮、DTMF信號的檢測、產(chǎn)生和回音消除等工作。
系統(tǒng)CPU芯片選用Samsung公司ARM7TDMI系列的S3C4510B，其工作頻率為50NHz，片內(nèi)集成了豐富的通用模塊，含有支持
10M／100M自適應(yīng)的以太網(wǎng)控制器，可以直接通過PHY芯片引出以太網(wǎng)接口。以太網(wǎng)PHY芯片選用Intel公司的LXT972A芯片，它具有
1OM／100M自適應(yīng)收發(fā)功能，支持全雙工操作。此外，系統(tǒng)還使用了2MB Flash、16MB SDRAM和512KB
SRAM作為存儲器�！ �
2.2 軟件設(shè)計方案
軟件部分主要由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用層軟件組成，完成協(xié)議棧處理、路由處理和其他控制功能，軟件方案層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。
嵌入式操作系統(tǒng)采用μCLinux。μCLinux是一種針對無內(nèi)存管理單元的處理器定制的嵌入式操作系統(tǒng)，具有豐富的網(wǎng)絡(luò)功能、源代碼公開、內(nèi)棱可剪裁和易于移植等特點。根據(jù)硬件平臺的特點，還需要開發(fā)適應(yīng)硬件平臺的驅(qū)動程序，包括Bootloader、串口驅(qū)動和以太網(wǎng)驅(qū)動。其中Boofloader
是移植uCLinux操作系統(tǒng)的關(guān)鍵，系統(tǒng)上電時，Bootloader負責進行硬件初始化、中斷的處理和硬件時鐘管理等工作，并加載操作系統(tǒng)映象到內(nèi)存。為方便系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)升級，Bootloader可實現(xiàn)TFTP網(wǎng)絡(luò)功能。串口和以太網(wǎng)口驅(qū)動程序相對比較簡單，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確收發(fā)即可�！ �
應(yīng)用層的軟件主要由H．323協(xié)議棧處理模塊、路由處理模塊和DSP控制模塊組成。H．323協(xié)議棧負責呼叫控制和信令、音頻處理和媒體實時傳輸?shù)裙δ堋Ｏ到y(tǒng)采用比較成熟的開放源代碼的OpenH323協(xié)議棧作為參考，應(yīng)用層上的功能模塊都是基于該協(xié)議棧開發(fā)的。路由尋址模塊主要負責路由尋址和路由管理，確定目的網(wǎng)關(guān)的IP地址，并選擇最佳路由將IP數(shù)據(jù)包經(jīng)過IP網(wǎng)絡(luò)傳送到目的網(wǎng)關(guān)。DSP控制模塊主要是在應(yīng)用程序中根據(jù)通話流程編寫相應(yīng)的控制程序控制
DSP芯片AC483的行為。網(wǎng)管模塊提供了Web網(wǎng)管和CLI命令行界面，很容易對雙模網(wǎng)關(guān)配置和維護�！ �
3.應(yīng)用方案
系統(tǒng)作為用戶端網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可廣泛應(yīng)用于小區(qū)和企業(yè)。對于用戶數(shù)量比較少的小區(qū)，可以將話機直接與網(wǎng)關(guān)連接，如圖6所示。對于用戶量相對較多的企業(yè)，可以與PBX交換機連接，如圖7所示。
該系統(tǒng)基于H．323協(xié)議棧設(shè)計。目前該系統(tǒng)基本功能已實現(xiàn)，能與其他網(wǎng)關(guān)設(shè)備互通，并能與運營商的Gatekeeper互通。在該設(shè)計的基礎(chǔ)上，可以通過選用處理能力更強的芯片來支持更多話路，可以增加SIP協(xié)議棧以支持雙協(xié)議棧架構(gòu)，還可以實現(xiàn)真的FXO接口電路以支持遠端VoIP呼叫，這些都是系統(tǒng)未來可以改進的地方。
全球IP通信聯(lián)盟
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