倚重高性能IP电话语音终端硬件设计

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摘要：本文基于Motorola和TI的TMS320C5402数字信号处理器设计了一种在以太网中进行IP电话通信的高性能IP电话语音终端系统硬件平台。解决了常规只用数字信号处理器的通信处理能力不高的问题。
1 概述
    IP电话是一种利用Internet或者基于其它IP网络（如Intranet、帧中继、或ATM）作为传输载体实现普通电话与普通电话、PC与PC、PC与普通电话之间语音通信的技术。因此IP电话又称为网络电话（Internet电话），或VoIP（Voice over IP）。IP电话不同于传统电话，它采用的是分组交换技术，在网络上传送的是数据包，而不是语音信号，所以，要把语音信号量化后进行编码、压缩、打包（分组），使其变为数据流，传送到对方后再进行反变换，最终还原为语音信号。由于IP电话采用了分组交换和统计复用技术，实现了语音、数据的综合传输，使整个网络的运营成本大幅度降低，从而使得用户承受的通信费用大大减少。 采用先进的数字信号处理技术，可以将原64kb的语音信号压缩成8kb或更低码速率的数据流，能够在同一条线路上传输比采用模拟技术更多的信息。以往的IP电话终端采用DSP作为主要处理器，这种系统对语音信号处理还行，但是通信能力较弱。正是因为如此，本文基于Motorola和TI的TMS320C5402数字信号处理器设计了一种IP电话语音终端系统，旨在实现在以太网中的IP电话通信。
2 系统总体结构图
    MPC860微处理器是摩托罗拉推出的Power QUICC家族成员之一，是一个多用途的通讯处理器芯片。它采用嵌入式处理器内核（embedded Power PC core）和通讯处理器模块（CPM）的双处理器结构。嵌入的Power PC内核，负责通用的工作，CPM分担嵌入式Power PC核的外围工作任务，主要进行通信业务。这种双处理器体系结构功耗要低于传统的体系结构的处理器。TMS320C5402是德州仪器公司生产的低功耗高性能的专用定点DSP芯片，其片内有RAM 16kb，ROM 4kb，运算速度比普通处理器快很多，非常适合于对实时性要求较高的数字信号处理。
    在本系统中，对通信能力和数字信号处理要求较高。TI的DSP以其强大的数字信号功能在数字信号处理方面得到广泛应用，但是其通信能力却较弱。MPC860强大功能在于它的通信处理能力，正好弥补了TMS320C5402的不足。正是基于MPC860 和TMS320C5402各自特长，经过分析，给出如下IP电话终端系统硬件方案：
  



    整个系统主要分为主控模块、控制显示模块和语音采样和播放模块组成。主控模块由MPC860构成，实现对整个系统的核心控制；语音处理模块由TMS320C5402数字信号处理器构成，是整个系统的语音信号处理核心；网络控制模块由LXT905构成，完成整个系统和以太网的通信；语音采样和播放模块主要由TLC320AD545构成，负责系统语音信号的采样转换和最后的语音播放。其中MPC860和TMS320C5402是整个系统的核心部分，完成整个系统的控制和语音信号的处理。
3 主控模块和语音处理模块的设计
    主控模块的MPC860是Motorola专为通信应用而设计的处理器，在本系统中完成系统的网络协议、信令交互、呼叫处理等通信功能，是整个系统的呼叫控制核心。语音处理模块的TMS320C5402是IT公司专为数字信号处理而设计的，在本系统中完成语音信号的编解码、压缩等功能，是整个系统的语音信号处理核心单元。
    在系统中，主控模块的MPC860和语音处理模块的TMS320C5402采用主从连接。MPC860作为主机，TMS320C5402作为从机，两者通过HIP接口进行通信，连接简单。这样即发挥了MPC860的通信控制，又发挥TMS320C5402的数字信号处理优点。
    在系统的语音处理过程中需要一定的存储空间，由TMS320C5402数字信号处理器只有16k的片上存储空间无法满足语音处理过程的要求，因此需要进行存储器的扩展。TMS320C5402带有内存扩充，MPC860的内存控制器就附带有8个内存槽。因此在本系统中，对于存储器的扩展，可以在TMS320C5402进行，也可以在MPC860进行。在本系统中为保持MPC860对整个系统的更好的控制和功能紧凑，这里在MPC860上进行扩展。经过分析比较，决定使用1片4MbFlash E2PROM和2片16MbSDRAM。其中，Flash E2PROM采用Intel公司的28F320b3，占用bANKO，对应于/CS0片选信号，内存管理机制选择GPCM（通用片机选择机制），数据总线宽度为32位，SDRAM采用SAMSUNG公司的K45281632b。占用bANKI，对应于/CS1片选信号，内存管理机制选择UPMA（用户可编程机制），2片SDRAM并行使用，数据总线宽度为32—bit。如图2 所示。
      


4 网络控制模块设计
    网络控制模块以Intel公司生产的LXT905通用10bASE—T收发器为核心，再通过232467SM变压器提供到附近单元接口AUI或10bASE—T双绞线的直接连接。完成系统与以太网的通信，包括：Manchester编解码、接收抑制和发送脉冲整形、链路完整性测试、10bASE—T极性翻转检测与纠正等功能。
在MPC860中有4个串行通信控制器SCC，可单独配置执行不同协议，实现如桥接、路由、网关功能等，提供到WAN、LAN和专用网络的接口。设置通用SCC模式寄存器GSMR[MODE]=ob1100，可以选择Ethernet。SCC将执行Ethernet/IEEE802.3所有CSMA/CD的介质访问控制MAC和为信道提供接口的功能。由于我们设计的IP电话终端系统主要用在以太网中，进行通信，故这里将SCC定义为Ethernet模式。




    图3是MPC860到Ethernet的信号连接方法。在MPC860和Ethernet控制器外部还需要一个串行接口适配器SIA（RJ—45）和收发器完成到介质的接口。
    MPC860内核配置SCC为Ethernet控制器工作，除了设置通用SCC模式寄存器之外，还需要将GSMR的其它域设定为特定值。如数据同步寄存器DSR用来指定帧的同步图样，在Ethernet模式需要设置DSR[SYN1]=ox55，DSR[SYN2]=oxDE。收发错误信息将记录在SCC Ethernet接收缓存描述符RxbD和SCC Ethernet 发送缓冲寄存器TxbD中。
5 其它模块设计
    语音采样和播放模块的核心是TLC320AD545，它是美国TI公司生产的高度音频编解码器。语音采样模块由一个编解码器TLC320AD545、模拟电路和一个串口组成，同时它还包括话筒、放大电路、扬声器驱动电路。如图所示：


            
    TLC320AD545的主要功能指标：最高采样率11.025Hz，16bit采样，80db动态范围，8欧姆AT41差分扬声驱动。A/D通道与话筒完成语音的数字化，D/A与扬声器相连将收到的数字化语音转化成模拟语音播放出来。串口与TMS320C5402的串口相连完成数据传输。控制显示模块主要实现系统LCD显示。
6 结束语
    本文基于Motorola的MPC860和TI的TMS320C5402数字信号处理器设计了一种在以太网中的进行IP电话通信的高性能IP电话语音终端系统。解决了常规只用数字信号处理器的通信处理能力不高的问题，对当今IP电话发展有一定的意义。
参考文献
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赵慧玲，梁勇等编著 分组语音技术与网络实现方案  人民邮电出版社   2001
巴继东，杨九民编著，    IP与光互联网       北京邮电大学出版社   2002
余燕平，李式巨编著，   信息交换与通信网        浙江大学出版社   2002