ip電話網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、小型企業(yè)IP電話網(wǎng)絡(luò)分析與設(shè)計(jì)小型企業(yè)IP 電話網(wǎng)絡(luò)分析和設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：梁帥 指導(dǎo)老師：劉青摘 要 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，最近幾年，IP電話技術(shù)突飛猛進(jìn)，已從當(dāng)初PC到PC的機(jī)連接方式發(fā)展到IP電話網(wǎng)關(guān)方式，通過IP電話網(wǎng)關(guān)可以將PBX與因特網(wǎng)連接起來，從而實(shí)現(xiàn)普通話機(jī)通過因特網(wǎng)進(jìn)行通信。因此，IP電話網(wǎng)關(guān)是近年來計(jì)算機(jī)和通信領(lǐng)域中研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本文主要分析了IP電話中涉及到協(xié)議及其設(shè)計(jì)原理，并對(duì)主要部分進(jìn)行了詳細(xì)說明。 關(guān)鍵詞 IP電話；編碼器；因特網(wǎng)Analysis and design of IP telephone network in small enterprisesStud

2、ent name: LIANG Shuai Advisor：LIU QingAbstract With the continuous development of network technology, in recent years, IP phone technology make a spurt of progress, from the original PC to PC machine connection to IP phone gateway, via the IP telephone gateway can be PBX connected with the Internet,

3、 thereby realizing the Putonghua machine via the Internet in communication. Therefore, IP telephone gateway is in recent years in the field of computer and communications research hot spot. This paper mainly analyzes the protocol and the design principle of IP, and the main parts are described in de

4、tail.Key words IP phone；encoder；internet1 引言1.1課題背景及意義IP（Internet Protocol）電話是一種數(shù)字電話，是技術(shù)創(chuàng)新的一種通信服務(wù)業(yè)務(wù)。它把語音、壓縮編碼、打包分組、分配路由、存儲(chǔ)交換、解包解壓等交換處理在IP網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)語音通信。它促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)資源利用，降低語音業(yè)務(wù)成本。因此在全球范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。IP電話的產(chǎn)生Internet商業(yè)化以后，在全世界，特別是發(fā)達(dá)國家迅速發(fā)展起來。在一些國家（如美國）本地電話Internet接入采用包月制，不限時(shí)限量，因此Internet是近乎免費(fèi)的（Free）的，人們都希望能通過這近乎免費(fèi)

5、的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳統(tǒng)的電話和傳真服務(wù)。1995年2月以色列VocalTec公司研制出可以通過Internet網(wǎng)打長途電話的軟件產(chǎn)品"Internet Phone"。用戶只要在多媒體PC機(jī)上安裝該軟件，就可以通過Internet網(wǎng)和任何地方安裝同樣軟件的聯(lián)機(jī)用戶進(jìn)行通話。這項(xiàng)技術(shù)上的突破引起全世界的矚目，其背后的無限商機(jī)也使許多公司進(jìn)行此項(xiàng)技術(shù)的研究，從而使IP電話技術(shù)得到迅速發(fā)展，人們把這種在Internet上實(shí)現(xiàn)電話業(yè)務(wù)稱為Internet電話，應(yīng)該說是IP電話的雛形。經(jīng)過五年的發(fā)展，IP電話成為信息技術(shù)進(jìn)步帶來的一項(xiàng)新型電話業(yè)務(wù)在全世界開展，并對(duì)傳統(tǒng)電話業(yè)務(wù)形成越來越大的威脅

6、。IP電話從當(dāng)初的PC到PC發(fā)展到今天的PC到PC、PC電話、電話到電話等多種業(yè)務(wù)形式，但不論是現(xiàn)在還是將來，IP電話可以說是當(dāng)今世界上發(fā)展最快、普及最快的一門應(yīng)用服務(wù)技術(shù)之一，也是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一。1.2課題研究現(xiàn)狀H.323是IP電話所遵循的標(biāo)準(zhǔn)，而H.323標(biāo)準(zhǔn)首選語音編碼器是ITU-T G.729.A。ITU-T G.729.A標(biāo)準(zhǔn)采用一種稱為"共軛結(jié)構(gòu)代數(shù)碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)"（Conjugate Structure Algebraic-Code-Excited Linear-Prediction,CS-ACELP）算法來對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行編碼。在開始編碼之前，

7、先要對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行電話帶濾波，然后以8kHz頻率對(duì)其進(jìn)行采樣，再將其轉(zhuǎn)換為16位線性PCM碼，作為編碼器的輸入。編碼器處理語音的單位是幀，1幀為10毫秒語音，包括80個(gè)聲音樣本（采樣頻率為8kHz）。編碼器對(duì)每一幀語音信號(hào)進(jìn)行分析，抽取出其中的CPLD模型的參數(shù)（線性預(yù)測(cè)濾器參數(shù)），自適應(yīng)和固定碼本索引和增益），對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行編碼和傳送。但是該編碼器算法復(fù)雜，一幀語音處理延遲較大，很大程度上影響了IP電話網(wǎng)關(guān)處理密度。 1.3研究?jī)?nèi)容G.729協(xié)議使用的算法是共軛結(jié)構(gòu)的算術(shù)碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)（CS-ACELP），它基于CELP編碼模型。由于G.729編解碼器具有很高的語音質(zhì)量和很低的延時(shí)，

8、被廣泛地應(yīng)用在數(shù)據(jù)通信的各個(gè)領(lǐng)域，如IP phone和H.323網(wǎng)上多媒體通信系統(tǒng)等20世紀(jì)90年代以來，以Internet為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，而針對(duì)G.729的研究和優(yōu)化一直從未停息。例如：為了提高IP電話網(wǎng)關(guān)的處理密度，在實(shí)現(xiàn)ITU-T G.729.A語音編解碼器時(shí)，采用了目前性能最好的DSP，即TMS320C6201；針對(duì)TMS320C6201并行性和流水等特點(diǎn)，歸納出了一系列減少編解碼器處理延遲的優(yōu)化方法本文是基于G.729.A協(xié)議，采用C+語言實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，并未針對(duì)G.729.A協(xié)議進(jìn)行有話改進(jìn)，因?yàn)楸救思夹g(shù)，只是領(lǐng)域達(dá)不到那

9、么高的層次，在結(jié)果中會(huì)對(duì)本人基于G.729.A實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)通信和從網(wǎng)絡(luò)上找到的基于TMS1.4論文組織方式 首先，本論文從目前IP電話的產(chǎn)生開始，詳細(xì)研究了本課題的背景以及意義，由于目前我國的通信分別掌控的移動(dòng)，聯(lián)通，電信三大巨頭手中，而通信費(fèi)用一直是國人所普遍關(guān)注的話題，雖然目前位置，通信費(fèi)用有所改善，但依舊是一個(gè)令人無奈的地方，所以本人想就這個(gè)現(xiàn)狀，深入了解IP電話的實(shí)現(xiàn)原理，實(shí)現(xiàn)機(jī)制，能夠在未來開發(fā)屬于自己的網(wǎng)絡(luò)電話，做到真正的零費(fèi)用。其次，在對(duì)本論文的背景有所了解的情況下，對(duì)本課題所必須的ITU-T G.729.A編解碼器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，主要是G.729.A協(xié)議編解碼算法介紹，

10、G.729.A編解碼器的實(shí)現(xiàn)。最后，在對(duì)所必須得基礎(chǔ)知識(shí)有所了解的情況下，按照各模塊的功能，分別詳細(xì)介紹了各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)過程。 2 G.729編解碼器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)2.1 G.729協(xié)議編解碼算法介紹2.1.1 G.729編碼算法介紹電話線路上的模擬語音信號(hào)，經(jīng)話路帶寬濾波（符合ITU-T G.712建議）后，被8kHz采樣，量化成16bit線性PCM數(shù)字信號(hào)輸入到編碼器。該編碼器是基于線性預(yù)測(cè)分析合成技術(shù)，盡量減少實(shí)際語音與合成語音之間經(jīng)聽覺加權(quán)后差分信號(hào)的能量為準(zhǔn)則來進(jìn)行編碼的。編碼器的結(jié)構(gòu)主要部分有：線性預(yù)測(cè)分析和LPC系數(shù)的量化；開環(huán)基音周期估計(jì)；自適應(yīng)碼本搜索；固定碼本搜索；碼本增益

11、量化。2.1.2 G.729解碼算法介紹G.729的解碼也是按幀進(jìn)行的，主要是對(duì)符合G.729協(xié)議的碼流進(jìn)行解碼，得到相應(yīng)的參數(shù)，根據(jù)語音產(chǎn)生的機(jī)理，合成語音。解碼的方框圖如圖所示，其主要部分為：參數(shù)解碼；后濾波處理。G.729解碼過程如下。2.2 G.729編解碼器的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)2.2.1 ITU-T G.729.A編解碼器實(shí)現(xiàn)的硬件平臺(tái)ITU-T G.729.A編解碼器實(shí)現(xiàn)平臺(tái)是筆者開發(fā)的一種集成式IP電話網(wǎng)關(guān)。這種集成式IP電話網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)思想是以PC機(jī)為基礎(chǔ)，集成了市場(chǎng)通用板卡，如LSI/C6200DSP資源卡、Dialogic的語音卡和網(wǎng)關(guān)等，并以這些板卡為硬件平臺(tái)，按照相關(guān)協(xié)議，開發(fā)

12、出一套IP網(wǎng)關(guān)軟件。集成式IP電話網(wǎng)關(guān)的硬件基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中G.729.A編解碼器是由LSI/C6200資源卡上的TMS320C6201 DSP來實(shí)現(xiàn)。 TMS320C6201 DSP是美國TEXAS INSTRUMENT公司生產(chǎn)的目前處理速度最快的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，TMS320C6201 DSP采用VLIW（Very Long Instruction Word）體系結(jié)構(gòu)，其工作頻率最高可達(dá)200MHz，內(nèi)部有1600MIPS4。另外，TMS320C6201 DSP分別提供了64KB的內(nèi)部程序RAM和數(shù)據(jù)RAM，片外存儲(chǔ)器可擴(kuò)展到4GB，可連接SDRAM、SBSRAM和Flash M

13、emory。TMS320C6201 DSP還提供了豐富的外圍電路接口，如：Scbus語音總線、MVIP語音總線、HOST接口以及JTAG口等。2.2.2 ITU-T G.729.A軟件模塊的設(shè)計(jì) G.729.A編解碼器運(yùn)行的硬件平臺(tái)是TMS320C6201DSP，支持SPOX。SPOX是一種功能很強(qiáng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。在SPOX操作系統(tǒng)的調(diào)度下，可對(duì)多路語音進(jìn)行適時(shí)的語音壓縮和解碼。G.729.A編解碼器件主要由調(diào)度及命令解釋模塊、G.729.A數(shù)據(jù)壓縮與解壓縮模塊和接口模塊三部分組成。 （1）調(diào)度及命令解釋模塊 該模塊主要用于解釋HOST發(fā)來的各種命令，如發(fā)送或接收編解碼數(shù)據(jù)，查詢編解碼狀態(tài)以及

14、啟動(dòng)、停止編解碼操作等，該模塊不直接與HOST打交道，而是以SPOX提供的服務(wù)方式，通過接口功能模塊間接地實(shí)現(xiàn)與HOST之間數(shù)據(jù)交換。同時(shí)在SPOX的支持下，完成對(duì)多路語音編解碼的適時(shí)調(diào)度。 （2）G.729.A數(shù)據(jù)壓縮與解壓縮模塊 該模塊是ITU-T G.729.A編解碼器的核心模塊，在很大程序上影響編解碼的性能。該模塊實(shí)現(xiàn)了ITU-T G.729.A全部功能。該部分已單獨(dú)形成一個(gè)TMS320C6201函數(shù)庫，可與其他任何部分連接。 （3）接口模塊 該模塊主要實(shí)現(xiàn)TMS320C6201與HOST以及與語音卡之間的數(shù)據(jù)交換，因此該模塊分成兩部分。一部分主要負(fù)責(zé)TMS320C6201 DSP與語

15、音卡之間的數(shù)據(jù)傳輸，它負(fù)責(zé)不斷地將語音卡采取的語音數(shù)據(jù)通過語音總線（如SCbus），采取等時(shí)通信方式送入到LSI/PCI6200資源卡RAM中，或者是將編解碼器解碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)SCbus總線送給語音卡。另一部分主要負(fù)責(zé)TMS320C6201 DSP與HOST之間的數(shù)據(jù)交換，一方面要將壓縮后的語音信號(hào)由PCI總線送往HOST；另一方面將HOST解包的碼流分類后讀入編解碼器。編解碼器與HOST之間的數(shù)據(jù)交換采用中斷方式進(jìn)行同步。3 需求分析3.1功能需求隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的普及，越來越多的人開始使用網(wǎng)絡(luò)這個(gè)媒介來發(fā)送，接收信息，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)給人們生產(chǎn)和生活帶來了巨大的便利，網(wǎng)絡(luò)語音通信IP電話應(yīng)運(yùn)

16、而生，主要分為三種：電話到電話，PC到電話，PC到PC，本功能選取PC到電話為實(shí)現(xiàn)方案，即：實(shí)現(xiàn)PC到電話的網(wǎng)絡(luò)語音通信。 系統(tǒng)用例圖： 圖3-1系統(tǒng)用例圖能夠?qū)崿F(xiàn)公用交換電話網(wǎng)絡(luò)（PSIN）中的普通電話相互通話（需要網(wǎng)絡(luò)環(huán)境配合）或與其他的兼容IP 電話或應(yīng)用程序通信。3.2性能要求（1）撥打電話：要求用話機(jī)撥打電話，用下列任意一種方式呼叫l(wèi) 按電話簿鍵選擇號(hào)碼呼出l 按Redial鍵選擇呼出最近一次已撥打號(hào)碼呼出l 提起話筒或按免提鍵，撥號(hào)盤上直接呼出（2）接聽電話l 響鈴,顯示號(hào)碼或者IP地址l 提起話筒或者免提鍵接聽l 可以拒絕接聽（3）靜音或者保留l 通話過程中按相應(yīng)鍵4 概要設(shè)計(jì)4

17、.1體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)成功IP電話的實(shí)現(xiàn)是個(gè)復(fù)雜的過程，我只針對(duì)G.729實(shí)現(xiàn)通信，其主要的體系結(jié)構(gòu)如下圖：圖4-1 體系結(jié)構(gòu) 其中用了一個(gè)tcp連接，表示雙方連通沒有，用udp發(fā)送語音數(shù)據(jù)，發(fā)送端表明了發(fā)送順序，接收端重排了順序。4.2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1. TCP包結(jié)構(gòu)TCP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最為廣泛的協(xié)議，許多的應(yīng)用層協(xié)議都是在建立在TCP協(xié)議之上的。TCP首部的各字段如圖4.2所示4。圖4.2 TCP數(shù)據(jù)在IP數(shù)據(jù)報(bào)中的封裝TCP協(xié)議頭部信息如下：（1）源端口：發(fā)送端TCP端口號(hào)；（2）目的端口：接收端TCP端口號(hào)；（3）序號(hào)：指出段中數(shù)據(jù)在發(fā)送端數(shù)據(jù)流中的位置；（4）確認(rèn)號(hào)：指出本機(jī)希望下一個(gè)

18、接收的字節(jié)的序號(hào)；（5）頭標(biāo)長度：以32bit為單位的段頭標(biāo)長度，是針對(duì)變長的“選項(xiàng)”域設(shè)計(jì)的；（6）碼位：指出段的目的與內(nèi)容，不同的各碼位置位有不同的含義；（7）窗口：用于通告接收端接收緩沖區(qū)的大?。唬?）校驗(yàn)和：這是可選域，置0表示未選，全1表示校驗(yàn)和為伍；（9）緊急指針：當(dāng)碼位的URG置位時(shí)，指出緊急指針的序號(hào)。 2. UDP包結(jié)構(gòu)UDP協(xié)議是英文User Datagram Protocol的縮寫，即用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，主要用來支持那些需要在計(jì)算機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。包括網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議系統(tǒng)在內(nèi)的眾多的客戶/服務(wù)器模式的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都需要使用UDP協(xié)議。UDP協(xié)議從問世至今已經(jīng)被使用了很多年，雖

19、然其最初的光彩已經(jīng)被一些類似協(xié)議所掩蓋，但是即使是在今天，UDP仍然不失為一項(xiàng)非常實(shí)用和可行的網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議。UDP數(shù)據(jù)報(bào)各域的意義與TCP段中相應(yīng)的域相同。只有校驗(yàn)和有些不同，除UDP數(shù)據(jù)報(bào)本身外，它還覆蓋一個(gè)附加的“偽頭標(biāo)”。這個(gè)偽頭標(biāo)來自于IP報(bào)頭，包括：源IP地址、信宿IP地址、協(xié)議類型、UDP長度及填充域。UDP首部的各字段圖4.3所示。圖4.3 UDP首部UDP協(xié)議頭部信息如下：（1）源端口：發(fā)送端UDP端口號(hào)；（2）目的端口：接收端UDP端口號(hào)；（3）頭標(biāo)校驗(yàn)和：用于保證頭標(biāo)數(shù)據(jù)的完整性。 5 詳細(xì)設(shè)計(jì)5.1系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)通過前面的敘述可以知道，這款軟件唯一的功能就是基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)

20、現(xiàn)語音通信。本系統(tǒng)包括三個(gè)基本模塊，音頻的輸入輸出，接收與發(fā)送，數(shù)據(jù)壓縮與排序，而這三個(gè)模塊整合起來就是網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)是通過IP網(wǎng)絡(luò)提供PC-to-Phone、Phone-to-PC、Phone-to-Phone語音通信的關(guān)鍵設(shè)備，是IP網(wǎng)絡(luò)和 PSTN/ISDN/PBX網(wǎng)絡(luò)之間的接口設(shè)備，應(yīng)具有下列功能： a 具有IP網(wǎng)絡(luò)接口和與PSTN/ISDN/PBX交換機(jī)互聯(lián)的接口； b 完成實(shí)時(shí)語音壓縮，將64kbit/s的語音信號(hào)壓縮成低碼率語音信號(hào)； c 完成尋址和呼叫控制。下面給出接口的部分代碼：連接和啟動(dòng)的接口： 5.1.1 音頻輸入輸出的實(shí)現(xiàn)下面給出其主要過程：音頻的輸入 描述：封裝 wave

21、in api 只使用了 pcm 方式 只使用 函數(shù)回調(diào)方式所有的設(shè)置屬性的函數(shù)只應(yīng)在錄音前使用，否者會(huì)在下次錄音時(shí)才生效應(yīng)該重載 virtual void GetData(char *pBuffer,int iLen);注意：對(duì)于 StartRecord 中的PerPareBuffer() OpenRecord()是乎應(yīng)該同時(shí)調(diào)用，要么就都不調(diào)用，其原因好象是 waveInAddBuffer 之后必須 使用saveInStart否則好象不能關(guān)閉設(shè)備SIZE_AUDIO_FRAME 是 160 倍數(shù)SIZE_AUDIO_PACKED 是 對(duì)應(yīng)的輸出 為 SIZE_AUDIO_FRAME / 16

22、0 * 10關(guān)閉的時(shí)候注意，在closerecord后有可能線程中還有數(shù)據(jù)到來，導(dǎo)致關(guān)閉不正確，所以關(guān)閉的時(shí)候sleep(1000)。 依賴性：Winmm.lib 主要代碼中的方法：如線程創(chuàng)建 音頻的輸出： 描述：封裝 waveout api只使用了 pcm 方式注意：PLAY_DELAY 10/播放時(shí)候的延遲，大于它，說明有PLAY_DELAY個(gè)包沒有播放完成，后面的包不應(yīng)再播放依賴性： Winmm.lib 主要代碼中的方法：如線程創(chuàng)建 5.1.2 數(shù)據(jù)的壓縮與排序依據(jù)流程圖我們可知，在數(shù)據(jù)壓縮之后會(huì)有發(fā)送，經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化后另一方接收，最后是排序。這里我把壓縮和排序放在一起音頻壓縮部分代碼：

23、 排序數(shù)據(jù)部分代碼：5.1.3 傳送和接收 1音頻的傳送 在壓縮之后進(jìn)入發(fā)送接收 發(fā)送的客服端部分代碼： 5.2用戶界面設(shè)計(jì)用戶界面第一行為對(duì)方IP地址，發(fā)送按鈕第二行連接按鈕，斷開按鈕，接收按鈕第三行為信息提示，如圖所示： 6 測(cè)試及實(shí)現(xiàn)結(jié)果分析采用二種測(cè)試工具對(duì)G.729.A編解碼器的處理延遲作了測(cè)試。第一種測(cè)試工具是C6X Simulator(TMS320C6201的仿真軟件)，測(cè)試條件是假設(shè)所有代碼裝在TMS320C6201片同的程序存儲(chǔ)器中；因此，稱之為Non cache測(cè)試模式。另外一種測(cè)試方式是采用TI公司的C6X的EVM卡（評(píng)估卡），測(cè)試條件是將TMS320C6201片內(nèi)64K

24、B RAM作為Cache使用；因此稱之為cache模式。二種測(cè)試模式的測(cè)試結(jié)果如下所示。測(cè)試項(xiàng)目C6 仿真器（非緩沖模式）C6 評(píng)估板（非緩沖模式）編碼（每幀）86720 cycles91650 cycles解碼（每幀）34120 cycles37310 cycles從表可以看出，如果TMS320C6201工作在頻率為200MHz，即每Cycles的周期為0.5毫秒，可以算出G.729.A編碼一幀（30毫秒）的延遲時(shí)間是0.430.46毫秒。因此說，單片TMS320C6201可以同時(shí)處理大約20路G.729.A編碼（當(dāng)前國際最高水平是22路）；而且，編解碼的結(jié)果都嚴(yán)格地通過了G.729.A提供的測(cè)試矢量的測(cè)試，實(shí)際播放音質(zhì)也很好。ITU-T G.729.A語音信號(hào)壓縮編解碼技術(shù)集成了眾多低速率語音編解碼的優(yōu)點(diǎn)，大大提高了低速率編解碼的語音質(zhì)量，但算法較復(fù)雜。而TMS320