半導(dǎo)體業(yè)的發(fā)展，特別是信號(hào)處理器和網(wǎng)絡(luò)處理器的發(fā)展，為高密度電信級(jí)分組語音(Voice Over Packet, VoP)媒體網(wǎng)關(guān)處理語音等多媒體信號(hào)帶來很多便利。由于VoP電話具有投資少，維護(hù)費(fèi)用低，能兼容數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等許多優(yōu)勢，因此近年來越來越多的電信運(yùn)營商開始將注意力投向VoP應(yīng)用這一領(lǐng)域。在VoP網(wǎng)絡(luò)中，承載語音的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)已不是電路交換網(wǎng)，而是IP網(wǎng)，或ATM，幀中繼等分組網(wǎng)絡(luò)，于是VoP媒體網(wǎng)關(guān)應(yīng)運(yùn)而生。
以往VoP網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)大都由工控機(jī)、語音處理卡和網(wǎng)絡(luò)鏈路卡構(gòu)成，這種工控機(jī)處理能力相當(dāng)有限，一般只能處理幾十個(gè)話路，遠(yuǎn)不能滿足組建大型電信級(jí)電話網(wǎng)的需要。為了組建大規(guī)模的下一代電話網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備制造商需要研制電信級(jí)VoP高密度媒體網(wǎng)關(guān)。它負(fù)責(zé)PSTN／ISDN的C4或C5的匯接，將其接入到ATM或IP網(wǎng)絡(luò)，主要實(shí)現(xiàn)VoATM或VoIP功能。
圖1：高密度媒體網(wǎng)關(guān)基本系統(tǒng)架構(gòu)。
高密度媒體網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
簡單來說，電信級(jí)媒體網(wǎng)關(guān)可以分為兩種：接入網(wǎng)關(guān)和中繼網(wǎng)關(guān)。它們將代替5類和4類交換機(jī)。接入網(wǎng)關(guān)提供了傳統(tǒng)接入設(shè)備和VoP網(wǎng)絡(luò)之間的主要通訊，從功能上來講，類似于5類交換機(jī)，它必須支持傳統(tǒng)的POTS接入、非數(shù)字的PBX接入以及ISDN的BRI和PRI接入。中繼網(wǎng)關(guān)提供PSTN和VoP核心網(wǎng)之間的一種通訊功能，它主要完成語音信號(hào)在不同網(wǎng)絡(luò)之間傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換工作。無論是接入網(wǎng)關(guān)還是中繼網(wǎng)關(guān)，其處理的媒體流除了語音之外，還包括MODEM和FAX信號(hào)，這些都是傳統(tǒng)電話網(wǎng)絡(luò)的基本業(yè)務(wù)。
圖1所示高密度媒體網(wǎng)關(guān)的主要組成部分：系統(tǒng)控制器、PSTN接口模塊、TDM交換模塊、媒體信號(hào)處理模塊和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口模塊。系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理、配置和呼叫控制。PSTN接口模塊提供與PSTN網(wǎng)絡(luò)的接口，接入網(wǎng)關(guān)常用的接口包括POTS和PBX接口，中繼網(wǎng)關(guān)常用的接口包括T1/E1、DS3和OC-3。TDM交換模塊負(fù)責(zé)TDM流的分配。語音信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)媒體信號(hào)的處理和轉(zhuǎn)換工作。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口模塊提供與包交換網(wǎng)絡(luò)的接口。目前應(yīng)用多的是ATM網(wǎng)和IP網(wǎng)，絕大多數(shù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備都提供這兩種網(wǎng)絡(luò)接口，常見的包接口有OC-n(OC-3，OC12等)、POS、100BaseT和千兆以太網(wǎng)接口。
圖2：TNETV3010芯片結(jié)構(gòu)。
媒體信號(hào)處理系統(tǒng)主要包括DSP和匯聚器(Aggregator)，如圖1中的虛線部分所示。DSP完成不同網(wǎng)絡(luò)之間的多種媒體信號(hào)轉(zhuǎn)換工作。由于電信級(jí)媒體網(wǎng)關(guān)容量比較大，每個(gè)系統(tǒng)都需要許多DSP，因此匯聚器是必需的。匯聚器主要有以下功能：匯聚來自多個(gè)DSP產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，然后集中傳輸?shù)较乱荒K；在相反方向，它把從分組交換網(wǎng)絡(luò)上傳遞來的數(shù)據(jù)包路由到合適的DSP上；有些DSP的接口不標(biāo)準(zhǔn)，引入?yún)R聚器則可以向外界提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，這一點(diǎn)在背板系統(tǒng)中尤其有用；在某些應(yīng)用中，它還可以提供包過濾、網(wǎng)絡(luò)管理等功能。匯聚器可以是專用芯片，如以太網(wǎng)交換芯片、通用處理器或小型的網(wǎng)絡(luò)處理器，也可以是帶有匯聚邏輯的ASIC、FPGA或PLD等邏輯器件。匯聚器的選擇和設(shè)計(jì)由模塊接口、數(shù)據(jù)流帶寬及包處理等幾方面因素決定。
媒體信號(hào)處理系統(tǒng)基本要求
1. 必須能夠支持傳統(tǒng)PSTN網(wǎng)絡(luò)的所有基本業(yè)務(wù)
媒體網(wǎng)關(guān)的一個(gè)重要使命就是使PSTN網(wǎng)平滑過渡到下一代語音網(wǎng)絡(luò)，這就要求網(wǎng)關(guān)的信號(hào)處理系統(tǒng)能處理現(xiàn)有PSTN中所有基本的媒體信號(hào)，如語音、MODEM和FAX信號(hào)，甚至信令信號(hào)，如CAS等。PSTN功能的仿真和模擬是媒體網(wǎng)關(guān)的基本功能特征。
圖 3：TNETV3010 VoP模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
2. 必須保證語音等業(yè)務(wù)質(zhì)量達(dá)到電信級(jí)要求
電路交換網(wǎng)特有的可靠性和低時(shí)延保證了傳統(tǒng)電話的語音質(zhì)量，因此用戶自然希望新一代網(wǎng)絡(luò)依然具有高質(zhì)量的語音。然而分組網(wǎng)絡(luò)，尤其是IP網(wǎng)絡(luò)主要是用來傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，采用的是盡力而為的、無連接的技術(shù)，因此沒有服務(wù)質(zhì)量保證(QoS)，存在分組丟失、失序到達(dá)和時(shí)延抖動(dòng)等情況。
數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對此要求不高，但話音屬于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，對時(shí)序、時(shí)延等有嚴(yán)格的要求。因此網(wǎng)關(guān)的媒體信號(hào)處理必須采取特殊措施以保障一定的業(yè)務(wù)質(zhì)量，否則用戶難以接受VoP電話。為了達(dá)到這一目的，一些特定功能，如多電話音處理、語音活動(dòng)檢測、回聲消除等就應(yīng)運(yùn)而生，缺少任何環(huán)節(jié)，都會(huì)導(dǎo)致語音質(zhì)量的下降。此外，MODEM和FAX的兼容性也是考核網(wǎng)關(guān)業(yè)務(wù)性能的重要指標(biāo)。
圖 4：TNETV3010語音通道。
3. 必須達(dá)到電信級(jí)可靠性要求
任何電信級(jí)設(shè)備的可靠性要求都很高，即所謂的五個(gè)九要求(99.999%)，媒體網(wǎng)關(guān)也不例外。作為媒體網(wǎng)關(guān)的核心，信號(hào)處理系統(tǒng)的可靠性直接決定了整個(gè)設(shè)備的可靠性。為了提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)者常常采用冗余備份的方法，與信令相關(guān)的部分采用1加1備份，對于那些純媒體流處理的模塊采用N加1備份。
4. 具備較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和靈活性
運(yùn)營商建設(shè)下一代語音網(wǎng)絡(luò)的先決條件是VoP網(wǎng)絡(luò)能否擴(kuò)展為大型的語音網(wǎng)。可擴(kuò)展性是指媒體網(wǎng)關(guān)在不損傷語音質(zhì)量的前提下能否支持非常大的語音流量。為了適應(yīng)這種密度需求，單一的系統(tǒng)通常必須支持幾千路的語音通道。這種高密度需求對設(shè)備的供電、散熱和體積提出了高要求。作為網(wǎng)關(guān)的核心芯片，DSP的平均每通道面積和功耗就顯得尤其重要。
圖 5：TNETV3010 FoP傳真通道。
另外，大容量的媒體網(wǎng)關(guān)信號(hào)處理系統(tǒng)往往都十分復(fù)雜，開發(fā)設(shè)計(jì)周期比較長，投資大，所以設(shè)備制造商在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)通常都要考慮通用平臺(tái)設(shè)計(jì)，即在同一個(gè)平臺(tái)中盡可能支持多種業(yè)務(wù)，這里所指的平臺(tái)包括硬件和軟件平臺(tái)。舉例來說,用于有線網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)處理系統(tǒng)可以通過適當(dāng)?shù)能浖?jí),支持無線業(yè)務(wù)。DSP的性能和存儲(chǔ)空間的大小決定了其應(yīng)用靈活性的程度。
基于TNETV3010的信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
隨著VoP業(yè)務(wù)的興起，無論是業(yè)務(wù)運(yùn)營商、設(shè)備制造商還是芯片供應(yīng)商都看到了其孕育的巨大商機(jī)。現(xiàn)在許多DSP廠商都推出了專門用于高密度VoP的數(shù)字信號(hào)處理器。
德州儀器(TI)在2003年正式推出了基于TNETV3010的高密度VoP解決方案。 單片TNETV3010集成了六個(gè)C55x核(如圖2所示),不同DSP核之間通過內(nèi)部獨(dú)特的交換平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，所以這是一種扁平化結(jié)構(gòu)，使編程大為簡化，而且可以繼承以前單核C55x成熟的應(yīng)用程序，可大幅縮短開發(fā)時(shí)間。每個(gè)核都有自己獨(dú)立的內(nèi)存塊，在程序空間方面，針對VoP應(yīng)用，擴(kuò)大了片內(nèi)存儲(chǔ)空間，因此無需外置存儲(chǔ)器。
圖 6：TNETV3010信令通道。
依靠C55x 核強(qiáng)有力的并行特性，TNETV3010的處理能力非常強(qiáng)大,單片能支持192路電信級(jí)的PCM語音通道，或96路低比特率通道，全負(fù)載運(yùn)行時(shí)的功耗小于1瓦，平均每PCM通道功耗小于5毫瓦。此外，TNETV3010的封裝面積很小，僅為16mm x 16mm。因此，TNETV3010非常適于高密度網(wǎng)關(guān)應(yīng)用。
TNETV3010 VoP模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖3給出了基于TNETV3010的媒體信號(hào)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中，TNETV3010負(fù)責(zé)語音等信號(hào)處理，UL2-(r)MII FPGA負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包格式的轉(zhuǎn)換和路由。對使用者而言，控制流和數(shù)據(jù)流是分離的。HOST可以很方便地通過以太網(wǎng)接口和信號(hào)處理模塊進(jìn)行通訊。HOST與DSP之間無直接接口，兩者之間所有的通訊都通過UL2-MII FPGA，這在很大程度上簡化了設(shè)計(jì)。FPGA的所有設(shè)計(jì)代碼都由TI提供。
除了UL2-(r)MII FPGA作為匯聚器外，TI與Wintegra公司還共同推出一種為高密度VoP設(shè)備而設(shè)計(jì)的新型集成參考架構(gòu)。該參考架構(gòu)將WinPath網(wǎng)絡(luò)處理器集成到基于TNETV3010的高密度網(wǎng)關(guān)解決方案中，從而提供了一種靈活、可擴(kuò)展的解決方案。TNETV3010支持參考架構(gòu)中的語音處理功能，包括符合G.168-2000標(biāo)準(zhǔn)帶128ms波尾的回波消除、語音檢測與生成、音頻轉(zhuǎn)碼及完整的VoP分組/單元封裝。WinPath從TNETV3010獲得了完整的分組/單元，并提供了單元、分組及AAL2 CID(ATM自適應(yīng)第二層配置安裝及分布)交換、L2-L7分類、AAL2 CPS(每秒字符)打包及拆包、協(xié)議互操作以及流量管理。
TNETV3010媒體信號(hào)處理過程
TNETV3010在硬件上采用先進(jìn)的C55x多核結(jié)構(gòu)，在軟件設(shè)計(jì)方面采用了業(yè)界的成熟的Telogy VoP軟件，兩者結(jié)合在一起使TNETV3010成為一個(gè)真正的電信級(jí)高密度VoP解決方案。從業(yè)務(wù)功能來分，整個(gè)TNETV3010的媒體信號(hào)處理過程可分為，語音處理、傳真/MODEM處理和信令處理。
圖4所示TNETV3010語音處理過程，它涵蓋了全部語音處理的基本模塊。一個(gè)VoP通道由兩部分組成：TDM語音處理部分和分組語音處理部分，連接這兩者的是會(huì)議橋模塊。這是一種高度模塊化設(shè)計(jì)，可以很方便地進(jìn)行TDM側(cè)之間、分組網(wǎng)絡(luò)側(cè)之間和TDM與分組網(wǎng)絡(luò)之間的語音通訊。重要的模塊包括回聲消除模塊、會(huì)議橋和編解碼模塊等。
圖7: HOST軟件結(jié)構(gòu)。
圖5所示TNETV3010傳真處理過程，它主要由T.30和T.38兩個(gè)模塊組成。T.30主要完成本地傳真機(jī)的端接，而T.38主要完成傳真在分組網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。經(jīng)過十年的錘煉，Telogy的FoP通道能和絕大部分傳真機(jī)真正做到互連互通。
圖6所示TNETV3010的信令處理過程。這個(gè)信令通道能完成全部的CAS 信令處理和部分的CCS信令處理。值得注意的是，許多其他DSP不具備同時(shí)處理語音和信令的功能，這就限制了其應(yīng)用場合。而TNETV3010的這一特性能使其靈活地應(yīng)用于接入和中繼網(wǎng)關(guān)。
HOST 軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)TNETV3010媒體信號(hào)處理軟件系統(tǒng),除了DSP側(cè)的軟件外,還包括HOST側(cè)的整套控制模塊。圖7是高密度網(wǎng)關(guān)中媒體處理板的HOST CPU典型的軟件結(jié)構(gòu)圖。其中，TI提供了所有與媒體處理相關(guān)的模塊和接口，包括媒體處理資源管理模塊、DSP處理控制模塊、數(shù)據(jù)路徑配置模塊、底層通訊模塊和整套與應(yīng)用程序相連的API。這些軟件模塊不是參考程序，而是真正的交鑰匙(Turn-Key)軟件，TI保證其所有代碼的正確性和有效性。系統(tǒng)集成者無須開發(fā)額外的代碼，所需寫的僅僅是應(yīng)用適配層。因此，TNETV3010方案軟件集成非常簡單。
下面簡單介紹各個(gè)模塊的功能：
1. 媒體處理資源管理模塊。負(fù)責(zé)所有媒體處理資源的分配和管理，如DSP及其的通道分配，DSP實(shí)時(shí)資源監(jiān)控，DSP的IMAGE管理等。
2. DSP控制模塊。負(fù)責(zé)對具體的語音，傳真/MODEM和信令處理通道的全部操作，如創(chuàng)建和關(guān)閉通道，通道的參數(shù)配置，通道上報(bào)事件的處理等。
3. 數(shù)據(jù)路徑配置模塊。負(fù)責(zé)媒體數(shù)據(jù)包的傳輸路徑管理及配置，如路徑的建立和關(guān)閉，內(nèi)部路由表的配置，包頭的設(shè)置等。
4. 底層通訊模塊。提供了上層消息流與底層硬件驅(qū)動(dòng)之間的接口。