企业IP电话解决方案--利用DSP技术与软件

企业IP电话解决方案--利用DSP技术与软件

从最初的概念展示，一直到目前的广泛应用，VoIP（VoiceoverIP）市场的成长可说极为快速。透过VoIP闸道器的实际安装布署，下一代的电信厂商不但已经开始提供全球性的IP电话服务，其成本也低于传统的通话方式。事实上，只要利用现有的封包网路基础设施，然后再使用IP电话闸道器以及用户端设备，厂商就可大幅降低电话服务的成本，这包括了语音与传真服务。今天，在所有实际应用的VoIP解决方案中，几乎都可以看到数位信号处理器（DSP）的踪迹，在这些解决方案的成功经验中，DSP晶片与软体都扮演了极为重要的角色。目前，许多企业的电话系统都采用专属的电话交换机设备，因此为了继续支援这些服务，下一代的IP电话产品也会提供这些企业IP电话功能；这些IP电话将连接到企业的区域网路，减少企业所须的基础设施与维护成本，并且将更多的新功能提供给企业用户。值得注意的是，在IP电话的核心技术当中，DSP解决方案将是重要的一部份。
实作的挑战

一、成本

IP电话是以区域网路为连线基础，要让它们应用成功的关键因素就是降低产品的成本，否则就算这些IP电话能够做到它们所承诺的额外功能，但是成本却无法等于或是少于采用专属交换机的电话，那么IP电话的大规模应用就无从实现。因此，整合解决方案（晶片与软体）不仅对于IP电话的功能实作极为重要，也将降低产品的成本。从这个角度来看，IP电话的核心解决方案（我们会在后面详细介绍）必须满足重要的价格点，并且提供现有产品尚未具备的功能，这样才能取代采用专属交换机的电话系统。

二、品质

企业IP电话与VoIP闸道器相当类似，都会处理电话的功能（使用者声音以及相关的播号响铃），然后传送到一个封包网路；由于封包网路有其独特的行为方式，因此若想用它来做出一套语音解决方案，就必须先克服一些困难的挑战。举例来说，封包网路常发生一些状况，例如资料封包的遗失、封包传送的延误以及封包抵达速率的变动（通常被称为jitter扰动），这在网路负载很大的情形下特别严重。而在运转顺利的已安装VoIP解决方案中，都采用了适当的技术来减轻这些网路因素的负面效应，因此对于企业IP电话解决方案来说，应该利用这些已安装系统的成功经验，并且吸纳它们的功能特色。由于这些IP电话是以区域网路为基础传输架构，因此它们的语音取样速率就不限于传统的8KHz频宽（这会将声音的频宽限制为4KHz），反而可以采用频宽更广的编码／解码器；透过这样的方式，IP电话可以大幅提升语音传输的品质，让通话效果远胜于目前的电话系统。

三、延展性与弹性

不仅在产品的功能特色上，IP电话必须满足现有的标准与需求，它还必须提供系统的延展扩充性，让产品增加更多的新功能。当第一批的IP电话解决方案投入了实际的应用之后，最初的使用者将会提供宝贵的回馈意见，具有创意的厂商则会在IP电话的核心平台上，发展更多具有附加价值的功能特色。要能够快速而有效率的延展扩充这些解决方案，关键要素在于IP电话架构中可重新程式规划的DSP技术。

四、产品上市时间

随着整合式IP电话解决方案的推出，如何尽快让IP电话产品上市，将成为IP电话厂商的主要竞争目标。IP电话制造商将利用资源来增加使用者界面的价值，并且提供完整的套装产品，然后藉重整合式解决方案的供应商来提供核心的VoIP技术。

IP电话解决方案的架构

语音界面会利用一颗编码／解码器，将手机或是麦克风所传来的类比声音转换成数位样本资料；同样的，处理器也会将所收到的资料传回给编码／解码器，并且将这些数位样本资料转换回声音讯号，然后再送到手机上的耳机或是喇叭。一颗编码／解码器就可以支援手机的基本语音功能，但是对于一支功能较完整的电话，例如喇叭与麦克风分开的扩音电话（speakerphone），我们就必须使用一颗双通道的编码／解码器。

网路界面可以协助企业的区域网路，将语音封包传送给电话，并接收来自电话的语音封包。对企业的区域网路来说，它通常是执行TCP/IP通信协定的10BaseT或是100BaseT乙太网路，因此IP电话解决方案也应支援这两种乙太网路传输速率。为了避免对基础设施的线路重新施工，IP电话应该提供第二个RJ-45乙太网路插座，让个人电脑可以直接使用这个插座，并且分享插座上的同一条线路。

使用者界面提供了一般电话的使用者显示与通话管理功能，其中至少必须包含一组拨号按键（0-9,*,#）以及一个音响显示器，后者是为了让使用者知道有电话进来；此外，许多电话也提供了一个小型的萤幕，可显示使用者的提示符号、已经拨入的号码、来电者的电话号码以及其它的资讯。当IP电话制造商想将产品做出市场区隔的时候，这个使用者界面就是最主要的对象。

处理器核心是IP电话的心脏，负责执行各种的电话功能，包括语音处理、播号处理、通信协定处理以及网路管理软体。在语音处理的部份，包含了语音压缩、回音消除、拨号音的产生...等等；基本上，这些都属于信号处理的范畴，在目前VoIP产品上，都是由DSP晶片来完成。至于拨号处理、通信协定的转换、网路的管理以及使用者界面的支援，这些则属于一般性的处理功能，是由一颗RISC处理器或是其它的微控制器元件来执行。

今天，DSP的应用已经相当广泛，而且在信号处理功能的执行上，都采用了最佳化的设计，因此若要执行这些语音相关功能，那么DSP不但是最有效的引擎，而且所须的时脉周期数目也会少于其它的处理器；这些优点可以转化成更少的晶片以及更短的程式码，于是产品就只需要更少的语音处理记忆体，将IP电话解决方案的成本减到最少。除了现有VoIP应用产品最常执行的语音处理功能之外，对于IP电话中的全双工与半双工通信功能来说，回音的消除与抑制也是提高通话品质的重要手段；另一方面，要让IP电话的通话品质超过一般的付费电话，那么使用宽频带的语音编码／解码器也是方法之一。由于这两项功能都需要信号处理的演算法，而且它们在DSP晶片上的执行也最有效率，因此在IP电话的架构中，就包含了一颗可重新程式规划的DSP处理器以及一颗微控制器单元－前者负责执行语音和信号的处理，后者责负责执行其它的功能。

DSP的功能特色
1. PCM界面:接收类比界面所传来的PCM样本资料，传送给适当的DSP软体模组，以便进行必要的处理工作；此外，它还会把处理过的PCM样本资料送回给类比界面。
2. 拨号音产生器:除了可产生拨号音之外，这项功能还会根据使用者界面所传来的按键状况，产生频带内的双音复频信号数字（DTMFdigits）给网路。
3. 回音消除器与抑制器:如果一部电话支援了全双工的扩音电话功能，那么就需要一个合于G.167标准的回音消除器，才能消除接收器麦克风所收录的回音；而半双工扩音电话则需要回音抑制的功能，避免说话者的声音从墙壁、窗户、家俱或是其它的地方反射回来，造成回音。
4. 声音变化侦测器（VAD；VoiceActivityDetector):为了对频宽做最有效的利用，我们必须侦测声音的变化，并且视需要来启动或是停止封包的传输。声音变化侦测器所必须解决的最大问题，就是如何分辨说话的内容以及伴随而来的背景杂讯，我们可以利用这项功能来节省网路的频宽，因为在一般的通话过程中，几乎一半的时间都没有人说话。
5. 舒适杂讯产生器:如果使用了声音变化侦测器，在交谈暂时中断的时候，必需让电话产生一定强度的杂讯，使另一端的听者不会以为线路已经中断。舒适杂讯产生器以及声音变化侦测器就会密切合作，以便提供强度和长度都很适当的杂讯信号。
6. 语音的编码／解码器:对于使用者所传来的资料流，则是由语音编码／解码器（vocoders）来进行压缩与封装的处理工作；除了G.711编码标准之外，也需要普通的语音压缩标准，包括G.723.1A（5.3和6.3kbps）以及G.729AB（8kbps）。若要提供高传真度的声音品质，就必须支援一个宽频带的编码／解码器，也就是G.722（7khz语音频带宽）。
7. 封包补偿（PacketPlayout）:针对网路传输的延误、传送过程的扰动以及封包的遗失，执行适当的补偿处理。为了加强封包的补偿效果，IP电话会使用许多的专属技术。
8. 封包协定的封装:对送至网路界面的封包语音资料进行封装。在VoIP的应用产品中，这个封装工作是由「即时传送协定层」（RTP；Real-timeTransportProtocol）来进行，它则是直接在UDP上面执行。
利用现有的VoIPDSP软体，不但可满足企业IP电话的大部份品质要求，还可降低新产品的风险，并且增加应用的信心。对于IP电话的制造商来说，若能在IP核心技术中采用已实证的DSP软体，他们就可以把工作焦点放在具有附加价值的新功能，藉此对自己的产品做出市场区隔，并且缩短新产品上市时间。

结论

要克服IP电话解决方案所面对的挑战，可重新程式规划的DSP技术就扮演了一个重要的角色，因为它不但替最佳化的语音处理提供了一个基础，还让产品的升级与成长更有弹性。随着VoIP闸道器、交换器以及用户端设备的广泛应用，它们不但解决了企业IP电话实作架构的许多问题，还降低了满足品质要求的风险，并且缩短产品上市的时间，这对于IP电话普及非常重要。最后，要让企业IP电话在市场上成功，关键是采用一套最佳设计的系统阶层解决方案（硬体与软体），然后再搭配适当的制程技术，以满足现在与未来市场的成本要求。