正文 IP电话系统设计

1 设计目的
传统电话网是以电路交换方式传输语音信号，它需要基本带宽为64Kb/s。

据统计，在正常通话情况下，大约只有40％时间为有声期，其余时间电路均为空占，网络带宽利用率不高。

随着计算机技术不断发展，尤其是互联网络不断完善，基于分组交换数据通信成为最重要通信方式。

而要在基于IP分组网络上传输语音，就必须对模拟语音信号进行特殊处理，使处理后信号可以适合在面向无连接分组网络上传输，这就是分组语音技术。

设计基于ARM7内核的IP电话，建立一个以Internet为基础的IP电话网络，以替代传统电话设备系统成为企业的目标。

2 设计要求
根据设计要求分析系统功能，掌握设计中所涉及到的电话通信技术、语言传输技术，阐明设计原理，设计系统结构。

根据设计要求及已知参数进行需求分析，选择确定处理器型号、其他芯片型号，完成系统硬件电路设计，完成软件设计，使设计符合要求，可行性强。

3 设计内容
3.1.1 IP电话原理
从技术观点来看，我们认为m电话(或者VolP Voice over IP)的定义应是：在整个语音通信进程中，部分或全程采用分组交换技术，通过IP网络来进行的语音传输都称之为IP电话。

IP电话的本质特征在于语音分组交换技术。

分组交换技术是Intemet网络采用的体系结构，其核心是将要传输的数据报文分成长度较短且具有标准格式的分组，并采用存储转发传输机制，有效降低数据传输过程中的网络时延，满足数据传输和交换的要求111。

IP电话网络也采用这一技术，具有以下特点：
(1)数据包排队传输产生的时延较小，基本满足话音通信的要求。

(2)路由共享，传输线路动态统计时分复用，资源利用率高。

(3)为不同传输速率、不同编码方式、不同同步方式、不同通信规程的用户之间提供了语音通信的环境。

(4)可靠性高。

采用分组技术，传输误码率降低；从源端到目的端存在多个路由，网络中某一节点发生问题时，分组可以自动选择另外路由，保持通信不会中断。

(5)经济性好。

分组交换设备要比传统的PSTN交换机便宜，其运营和维护费用也少，并且有利于新业务的推出。

(6)语音服务质量较难保证。

IP协议本身提供的是面向无连接的的服务，并不适合对实时性要求较高的语音通信要求。

(7)要提供高质量语音服务，目前尚有一定的技术难度。

3．1．2 分组交换网
分组交换网是继电路交换网和报文交换网之后一种新型交换网络，它主要用于数据通信。

分组交换是一种存储转发的交换方式，它将用户的报文划分成一定长度的分组，以分组为单位进行存储转发，因此，它比电路交换的利用率高，比报文交换的时延要小，而具有实时通信的能力。

分组交换利用统计时分复用原理，将一条数据链路复用成多个逻辑信道，最终构成一条主叫、被叫用户之间的信息传送通路，称之为虚电路（V．C）实现数据的分组传送。

3.1.3 以太网
以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，组建于七十年代早期。

Ethernet(以太网）是一种传输速率为10Mbps的常用局域网（LAN）标准。

在以太网中，所有计算机被连接一条同轴电缆上，采用具有冲突检测的载波感应多处访问（CSMA/CD）方法，采用竞争机制和总线拓朴结构。

基本上，以太网由共享传输媒体，如双绞线电缆或同轴电缆和多端口集线器、网桥或交换机构成。

在星型或总线型配置结构中，集线器/交换机/网桥通过电缆使得计算机、打印机和工作站彼此之间相互连接。

3.1.4
语音编码技术是IP电话核心技术之一，编码质量好坏直接关系到IP电话通信质量。

G.728标准语音编码算法是16Kb/s声码器编码标准，采用低时延码本激励线性预测（LD-CELP）技术。

线性预测器使用是反馈型后向自适应技术，预测器系数是根据上一帧语音量化数据进行更新，因此算法时延较短，为0.625ms，相当于5个采样点时间，这也是G.728帧长时间。

由于使用反馈型自适应技术，因此预测器系数无须传送，唯一需要传送是激励信号量化值，也就是码本索引值。

G.728标准语音编码算法码本总共有1024个矢量，索引需占10比特，因此其比特率为10/0.625=16Kb/s。

G.728标准语音编码主要特点有：
算法时延短，仅为0.625ms；
一路编码时延小于2ms；
传输比特率为16Kb/s；MOS值为4.173，达到了长途通信质量。

由于G.728标准语音编码算法时延短，语音传输比特率可以满足IP电话应用要求，所以选用G.728标准语音编码算法作为IP电话编码算法。

系统结构分析
TMS470R1A256属于TITMS470R1x通用16/32位精简指令微控制器系列。

该系列采用高速ARM7内核，从而保证了其高性能、高吞吐量和编码空间效率。

系统主要作用是充分利用ARM7内核高速数据处理能力，以减轻计算机CPU负担；语音录入和输出系统也单独分离出来，这样可以更好和MCU进行数据传输，减少不必要中间环节，减少时延。

最后，通过高速PCI总线，将数据传送给计算机。

系统总体结构框图如图1所示，各模块具体功能如表1所示。

图1 系统总体结构框图
表1 各模块具体功能
硬件系统设计
3.3.1 器件选择
TMS470R1A256
TLC32044
CY7C133
AM29F101B
PCI9052
EPM7192
TLC32044
3.3.2 MCU与Flash通信
由于TMS470R1A256I/O接口电压为3.3V，而AM29F101B接口电压为5V，所以在接口部分需要进行电压转换，并且AM29F101B片选信号（CE）和输出使能信号（OE）需要地址译码。

这些工作均由一片复杂可编程逻辑器件（CPLD）来完成。

由于AM29F101B接口速度较慢，所以TMS470R1A256和AM29F101B之间接口必须插入软件等待状态，具体要插入软件等待状态数目可以由数据手册计算得到或在调机时由试验得到。

TMS470R1A256与AM29F101B之间接口电路如图2所示。

图2 MCU与Flash接口电路
3.3.3 MCU与ADC、DAC之间通信
本系统所选用G.728标准语音编码算法需要8kHz采样速率。

所以对ADC和DAC要求最高采样率或转换时间不低于8kHz。

根据语音信号特点，选用TITLC32044芯片，这是一片集成了ADC和DAC功能芯片。

它最高转化速率为19.2kHz，转换位数为14位，输入电压带范围可调，有标准同步串口，还有输入滤波器和输出重构滤波器，这样可以省去模拟滤波器设计。

语音信号的数字处理少不了语音信号的A/D与D/A转换。

在本次设计中，选用美国TI公司生产的一种14位动态可调的高精度可编程A/D、D/A的TLC32044芯片。

如图4所示，TLC32044由反混迭输入滤波器、A/D、D/A、输出重构滤波器等组成。

模拟和数字地、模拟和数字电源的分开可降低噪声和保证一个宽的动态范围。

模拟电路部分采用差分电路以使噪声达到最小。

TLC32044还具采样频率可编程，其采样频率可在7.2kHz～19.2kHz范围内用软件控制，它可工作在同步字、字节传输和异步字、字节传输等4种工作状态，分别采用16bit字或8bit字节串行通信方式，最高具有14bit的转换精度，只需外部提供一个5.184MHz的时钟便可工作。

该芯片通过编程可同时容纳 2路模拟信号输入。

系统上电（或复位）后则按其默认的工作方式工作，即按16bit字或8bit字节串行通信方式，最高具有14bit的转换精度，只需外部提供一个5.184MHz的时钟便可工作。

该芯片通过编程可同时容纳2路模拟信号输入。

系统上电（或复位）后则按其
默认的工作方式工作，即按16bit 字同步串行通信，采样频率为8kHz。

欲改变TLC32044的工状态，可通过编程并把控制字经由DX脚送入TLC32044。

TMS470R1A256与TLC32044接口电路如图3所示。

图3 MCU与ADC、DAC接口电路
3.3.4 MCU与双端口RAM之间通信
为了体现PCI总线速度快优点，选用速度较快双端口RAM芯片CY7C133-25，其最大传输速率为25ns。

双端口RAM在MCU数据空间地址映射为8000H～87FFH。

需要强调是双端口RAMBUSY信号。

本设计并不使用这个信号，因为分别对双端口RAM不同部分进行操作，所以避免了可能发生任何冲突，因此省去了BUSY信号，该信号悬空。

电路电压转换和地
4所示。

址译码同样由CPLD来完成。

MCU与双端口RAM接口电路如图
3.3.5 PCI9052与双端口RAM之间通信
MCU任务是完成语音编码和解码，然后再通过PCI总线与计算机进行数据交换。

MCU与PCI9052之间用一片双端口RAM（容量为2k×16bit）进行数据交换。

PCI9052是PLX公司开发的低价位PCI总线目标接口电路,功耗低,采用PQFP型160引脚封装,符合PCI2.1规范,它的局部总线(LOCAL BUS)可以通过编程设置为8/16/32位的(非)复用总线，数据传送率可达到132Mb/s。

提供了ISA接口，可以使ISA适配器迅速、低成本地转换到PCI总线上。

主要功能与特性如下所述：
异步操作。

PCI9052的Local Bus与PCI总线的时钟相互独立运行,两总线的异步运行便于高、低速设备的兼容。

Local Bus的运行时钟频率范围为0MHz～40MHz,TTL 电平，PCI的运行时钟频率范围为0MHz～33MHz。

支持突发操作。

PCI9052提供一个64字节的写FIFO和一个32字节的读FIFO,从而支持预取模式即突发操作。

中断产生器。

可以由Local Bus的二个中断信号LINTi1和LINTi2产生一个PCI中断信号INTA＃。

串行EEPROM接口，用于存放PCI总线和Local总线的配置信息。

由于PCI9052具有5个局部地址空间和4个局部设备片选信号，所以连线变得相当简单，只需要将双端口RAM 映射到其中一个局部地址空间，然后使用其中一个片选信号连接到双端口RAM的CE，最后将PCI9052读写信号（R/W）和OE对应连接到双端口RAMR/W和OE。

这样就省去了地址译码等外围逻辑电路。

图5 PCI9052与双端口RAM之间通信
ARM核主要实现LCD、键盘和USB的控制功能。

ARM端的软件结构如图6所示。

ARM 端软件的功能主要是控制外设和数据收发。

为了不丢失控制信号和收发的数据，整个软件采用时间片轮询策略：设置各个模块的定时器，主程序轮询各个模块的定时是否到达，如果到达则进行该模块的相应工作；完成后，继续轮询下一个模块的定时。

整个程序涉及的模块有4个：与DSP端进行数据收发的模块，实时监控键盘模块，与PC端的USB 数据收发模块以及LCD显示模块。

IP电话系统要实现算法就是语音编码算法，还要完成与计算机数据交换。

软件部分主要作用是用嵌入式操作系统中TCP/IP协议对需要传送语音编码信号进行打包，再通过计算机上网卡将数据通过Internet传送到接收方，并把接收到TCP/IP包还原为原来语音编码信号，最后通过PCI总线传输给MCU进行语音解码。

总结与致谢
本次设计所设计的IP电话系统是通过Internet来传递语言的一种崭新的通信方式，方案主要优点是对计算机硬件要求不高，处理速度快，语音输入输出系统单独集成，且信噪比高。

通过本次设计了解了IP电话系统的设计，进一步巩固了《程控交换原理与数字交换网》的知识，并且熟知了DSP芯片的应用及原理，实践得到了很好的锻练。

在设计的过程和设计说明书的撰写过程中，遇到了很多问题，指导老师给予了我热心的帮助和大力的支持，给我提了诸多的宝贵意见，帮我解决了问题，并拓宽了我的思路。

在此感谢庄老师和郝老师的帮助和支持，同时也感谢帮助过我的同学，在大家的努力下很好的完成了本次设计。

参考文献
[1] 叶敏. 数字程控交换与交换网[M].北京:北京邮电大学出版社,2003.
[2] 李正吉, 边祥娟. 程控交换技术实用教程[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,2002.
汪安民.DSP嵌入式系统开发典型案例[M].北京:人民邮电出版社,2007.
[320C2000系列DSPs原理与应用[M].北京:国防工业出版社,2004.
[4]斯洛斯（Sloss,A.N.）.ARM嵌入式系统开发：软件设计与优化[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.
[5]季昱, 林俊超, 宋飞编．ARM嵌入式应用系统开发典型实例[M]．北京:中国电力出版社，2005．
[6]边海龙，贾少华．USB2.0设备的设计与开发[M].北京:人民邮电出版社，2004．
[7]王瑞刚, 李燕. IP电话终端设备――原理、电路及应用[M]. 西安:西安电子科技大学出版社, 2003.
[8]许永和编著EZ-USB FX系列单片机USB外围设备设计与应用[M].北京航空航天大学出版社, 2003.
附：原理框图
图1 系统总体结构框图
图2 MCU与Flash接口电路
图3 MCU与ADC、DAC接口电路
图4 MCU与双端口RAM接口电路
图5 PCI9052与双端口RAM之间通信。